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该综述聚焦汽车领域质子交换膜燃料电池（PEMFC）和碱性燃料电池（AFC），对比两者效用、效率及发展现状，分析优劣势与挑战，探讨在汽车应用的潜力，还对比了燃料电池电动汽车（FCEV）与电池电动汽车（BEV），指出 PEMFC 更具兼容性和可扩展性。
汽车领域燃料电池技术：质子交换膜与碱性燃料电池的发展与应用
1. 引言
全球能源消耗增加及化石燃料导致的环境污染，推动对可再生能源解决方案的需求。氢基可再生能源被视为未来能源的主要解决方案，燃料电池汽车（FCV）是实现低碳交通的关键。燃料电池通过电化学反应将氢的化学能转化为电能，其构造与电池相似，但可通过持续供应燃料不断发电。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）和碱性燃料电池（AFC）是汽车领域的重要研究方向。PEMFC 使用固体聚合物膜作为电解质，工作温度为 60-80°C，具有高功率密度，适用于交通和移动电源系统。AFC 使用碱性电解质（如氢氧化钾 KOH），工作温度范围更广（零下至 230°C），成本效益高且设计简单，适用于储能系统和利基市场。
燃料电池汽车与电池电动汽车（BEV）在低碳交通中常被比较。氢作为存储介质，能量密度高于锂离子电池，加注时间更短，FCV 在低温下性能优于 BEV。FCV 更适合重型和长途运输，BEV 则适合短途和轻型运输。
2. 工作原理与组件对比
PEMFC 和 AFC 的工作原理相似，均使用氢作为燃料，氧作为氧化剂，通过电解质和催化剂发生反应产生电能。两者的主要区别在于电解质和催化剂的不同。
2.1 电极与催化剂
PEMFC 的电极由碳和铂组成，铂作为催化剂，但成本高且易受一氧化碳（CO）中毒。AFC 可使用非贵金属催化剂（如镍、银），成本较低，但液体电解质易导致腐蚀，且对二氧化碳（CO?）敏感。
2.2 电解质
PEMFC 使用固体质子交换膜（如 Nafion），能传导质子并隔离电子。AFC 使用液体氢氧化钾电解质，易与 CO?反应生成碳酸盐，导致电解质降解，需净化气体或使用耐 CO?电解质。
2.3 双极板与其他组件
双极板在燃料电池中起分隔和传导作用，占成本和质量的较大比例。石墨和金属（如不锈钢）是常用材料，但存在脆性或腐蚀问题。其他组件包括电流收集板、端板和密封材料，需具备高导电性和耐腐蚀性。
3. 成本对比
PEMFC 的主要成本来自铂催化剂，而 AFC 使用非贵金属催化剂，成本较低。大规模生产可降低 PEMFC 成本，但目前 AFC 在小规模生产中更具成本优势。PEMFC 的系统成本包括燃料电池堆、热管理、燃料管理等，其中堆成本占比较大。
4. 缺点
PEMFC 面临水管理、热管理和 CO 中毒问题。AFC 则受 CO?敏感性、电解质腐蚀和石棉隔膜使用限制，且催化剂分布和耐久性存在挑战。
5. 应用
PEMFC 在汽车领域应用广泛，如丰田 Mirai、现代 ix35 等乘用车，以及公交和卡车。AFC 在航天领域有应用历史，如阿波罗任务，但在地面交通中因 CO?敏感性和系统复杂性应用较少，仅在特定场景（如拖拉机、混合动力系统）有探索。
6. 能源消耗
PEMFC 在商用车中能耗显著低于传统内燃机（ICE）车辆，氢消耗效率高。AFC 在交通中的应用数据有限，混合动力系统结合 AFC 和锂电池可延长续航，但目前主要应用仍为 PEMFC。
7. 未来展望
PEMFC 的发展依赖于低成本催化剂（如无铂催化剂）、耐用膜材料和氢基础设施建设，有望在重型运输和固定发电领域普及。AFC 需解决 CO?耐受性和材料耐久性问题，可能在储能、离网能源和航天领域找到更多应用。
8. 结论
PEMFC 因高功率密度、低 CO?敏感性，更适合汽车应用，尤其在重型车辆中潜力大，但需降低成本和完善氢基础设施。AFC 成本效益高但受 CO?限制，适用于特定利基市场。两者均为清洁能源转型的关键，未来发展取决于技术突破和基础设施建设。
