燃料电池电动车发展浅谈

作者：郑州宇通客车股份有限公司 秦小奎 马勇

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 摘要：本篇文章收集调研了当前国内外从事燃料电池及燃料电池电动车公司或科研机构的大量资料、信息。分析了上世纪90 年代以来世界燃料电池电动车的研制开发背景、现状及将来发展趋势，综合介绍了燃料电池的工作原理、结构特点、优缺点、研制动向，并对国内外汽车公司的燃料电池电动车的研制现状、技术难点、发展趋势、市场预测及竞争的态势作了客观的介绍，供业内人士参考。 关键词：汽车 燃料电池 催化剂 混合动力汽车 清洁 无污染 前言 减少大气污染、改善人类生态环境、节省石油资源是本世纪初的三大难题。石油资源紧缺曾经是制约中国轿车工业发展，尤其是轿车进入家庭的重要因素。但是环顾世界各工业，并没有因为担心有朝一日石油资源将会枯竭而限制汽车的生产和使用。当然，能源压力是有的，推动世界汽车业主要在开发汽车的替代燃料和节能两个方向下工夫, 替代燃料还包括液化石油气、压缩天然气、甲醇和电能。不过最新的技术当属氢动力车。这项技术从20 世纪60 年代登月后第一次使用，它将氢气和氧气混合在一起制造出电力驱动汽车。它绝对不会破坏环境，它的副产品只是热量和纯净的水，宇航员都可以喝。2000 年秋季，在交通部北京试车场，通用公司展示了一辆HyWire 燃料电池动力车。它以中国火箭研究院提供的液态氢作燃料。 氢与空气中的氧分别进入燃料电池的两端，氢氧渴望化合，中间却隔着极薄的电解膜。氢的电子被电解膜阻隔，收集起来成为电能驱动电动机；质子却可以通过电解膜与氧化合为水，故排放污染为零。试验车没有噪声，动力充足，时速140 公里。氢动力车关键的技术在燃料电池的体积，德国奔驰第一代燃料电池车，当时燃料电池几乎充满一个旅行车的车厢。现在已经小到可以藏在轿车的座椅下了。汽车是上述三大难题的始作俑者，据介绍全球大气污染的近一半是由于汽车造成的，全球80%以上的石油资源被汽车消耗。汽车的排放物被认为是全球温室效应的第三大制造者，它导致了全球变暖，政府认为现在迫切需要鼓励发展更为清洁的汽车。节能、高效、低污染的燃料电池，是解决上述三大难题的最理想的动力源，它将成为第三代动力源（第一代蒸汽机，第二代内燃机）。它的成功将会是汽车工业的又一次重大变革，也将带来下一个工业革命。所以研究开发燃料电池电动车具有战略意义。因此受到世界发达国家的高度重视，投入了大量人力物力进行研究开发并取的了很大的进展。 1 什么是燃料电池（Fuel Cell） 燃料电池是一种化学电池，但是，它工作时需要连续地向其供给活物质(能起反应的物质)——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释放出的能量转变为电能输出，所以才被称为燃料电池。具体来说，燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过催化剂的作用，使氢与氧发生化学反应，等温、高效、无污染地转化为电能的发电装置，其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80％，实际使用效率是普通内燃机的2倍以上。其燃料除氢气、石油外，还可使用天然气、甲醇、煤以及其它非石油基燃料，由于汽油中含有大量氢，世界各公司正在寻找合适的催化剂，以将汽油中的氢分解出来，供燃料电池使用。 燃料电池具有两大优点：一是发电效率高达40%～60%，如果组成联合供电供热系统充分利用余热，则整个系统的效率可高达80%。二是在发电中不产生氮和硫的氧化物，用这种方式发电对保护环境具有重大意义。 燃料电池与其它发电方式相比有独到的特点，第一，它是静止型直接发电，不象火力发电那样，先把燃料的化学能变成热能，再变成机械能最后才转换为电能，而是直接变成电能，不存在汽轮机、发电机等机械系统，也不存在零部件的疲劳、磨损等问题，大大增加了运行可靠性；因为它是静止工作，无噪声、无振动、可以直接安装在大楼内工作，省去了远距离的输送线路。第二，它是由许多单元组成模块而工作，首先用两片电极夹住一片电解质板，组成一个单元。再由上百个这样独立单元堆叠在一起，形成一个燃料电池组，再把许多燃料电池组集合成在一起，便形成了一个发电站。其发电效率同发电站的规模大小无关，只取决于每个独立单元的发电效率。因而尽管是小规模的发电站也具有高的发电效率。第三，灵活性大，适应性强，作为燃料电池的燃料，并不是直接向它供给氢，而是供给各种碳氢化合物，除可供液化石油气、沼气之外，还可以供给甲醇、煤油、粗汽油等。 燃料电池（ＦＣ）具有能量转化率高，燃料多样化，环境污染小、噪声低、可靠性强、维修性好等特点。因此开发燃料电池汽车，在能源环保形式日益严峻的情况下倍受瞩目。 2 燃料电池的种类及用途 目前国内外积极研制的燃料电池主要有以下几种： 其中固体高分子交换膜子燃料电池(PEMFC)体积小、工作温度低、无污染（电解质泄露）、效率高等特点，是汽车最理想的动力源，目前各国研制的燃料电池汽车均采用这种形式的燃料电池。 3 国内外的研究现状 国外情况：美国通用电气公司是最早研制燃料电池的公司，早在20 世纪60 年代就将燃料电池用于宇宙飞船，目前该公司正与美国杜邦公司合作，已将PEMFC 的性能，比功率提高了5 倍以上。美国能源伙伴公司目前已能提供5KW,10KW,20KW 的燃料电池，并装于混合动力汽车上。美国国际燃料电池公司(IFC)研制的PC29 型燃料电池，装于电动汽车上，其燃料经济性指标，可达到美国政府“ PNGV”计划中的2004年指标。加拿大的巴拉特公司是一家专门研究燃料电池的公司，目前处于世界领先水平。它与德国奔驰公司，美国福特公司合作研制了多种燃料电池电动汽车，有的已投入实际使用试验，日本各大公司也进行了大量的研究开发工作，并取得了很大的进展。根据日本有关报道，到2004 年燃料电池汽车将达到商用化程度，美国通用汽车公司研制的“氢动一号”燃料电池概念车，已提供作为27 届悉尼女子奥运会马拉松比赛的开道车，它代表当今的最高水平，也预示燃料电池电动汽车已接近实用化的程度。通用首席环境官、负责环境和能源事务的副总裁米纳诺说，以石油为基础的汽油和柴油都是近期最佳的燃料，一种类似汽油的燃料则是氢燃料电池车普及之前最好的过渡燃料。通用打算将这种从汽油中提炼的燃料应用于燃料电池汽车和普通汽车中，最终使用氢燃料，这种做法将避免为发展燃料电池汽车而建设高成本、临时性的非汽油类燃料供给基础设施。 目前世界各大厂商已结成两大集团，以丰田、通用汽车公司为一方，以戴姆勒—克莱斯勒、福特及三菱汽车公司为另一方，展开了激烈的燃料电池车技术开发竞争。 由于各国政府和有关企业的重视，燃料电池近来发展迅速，效果显著，下表是PEMFC 研制进展的成果表： 国内情况：我国在1995 年才开始进行固体高分子交换膜燃料电池（PEMFE）的研究。中科院大连化学物理研究所在“九五”期间承担了国家重大科技公关项目“燃料电池技术”研究，在关键部件和关键技术方面取得了进展。先后研制出200W、1kW 和5kW 的燃料电池组。并继续进一步向小型化、轻量化发展。 将在近期内装车实验。此外北京富原公司、上海神力公司、清华大学、交通大学、天津大学及上海空间能源所等单位也从事这方面的研究，也都取得了一定进展。北京富原公司、清华大学合作研制了一辆燃料电池汽车，参加了2000 年北京国际环保展览会。该公司在目前国内处于领先水平。在燃料电池汽车的开发上，国家科技部已将燃料电池汽车的开发列为“863 计划”的重大专项，在关键技术与产业化方面取得重大突破的基础上，率先开发出燃料电池公共汽车和大巴，进而向中巴、小巴和轿车发展。“十五”末期，开发出具有市场竞争力并能实现规模生产的燃料电池汽车，关键技术与零部件具备产业化能力与先进技术水平。 4 存在问题及难点 燃料电池车最大优点是清洁、无污染，所排出的唯一废弃物为水分。各大汽车厂商都认为近期内有可能取代传统汽车的清洁交通工具只有燃料电池车。为此，它们纷纷敦促本国政府制定相关的产业政策，美国能源部已制订了“氢计划”，提出要在2010 年让燃料电池车在汽车市场上占据25%，日本经济产业省不久前提出的发展目标是在2010 年前要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池车。虽然燃料电池电动汽车近些年来取得了很大进展，但由于目前还存在一些难以在短期内解决的技术问题，影响了它的实用化进程。其主要难点有： 1) 固体高分子质子交换膜燃料电池（PEMFC）还需要贵金属铂作为催化剂，它不仅价格昂贵，而且产量小。目前世界铂金的年产量仅70 吨，按现在燃料电池的用量计算，仅够30 万辆左右的汽车使用。因此，必须研究出铂金的代用材料，方有可能大量推广使用。 2) 氢气的来源、储存以及将燃料（石油、天然气、煤、甲醇及其它非石油基燃料）转为氢气的重整器问题尚未解决。特别是重整器，它是一个小化工厂，要求体积小、重量轻、安全可靠，适宜车上安装，且价格便宜，其难度更大。 3) 防止CO 对燃料电池电极的毒化作用。在氢燃料中即使有微量的CO、都会显著降低催化活性，使电池性能急剧下降。因此，必须严格控制CO 数量。 4) 燃料电池工作时水分的调节控制。在工作中，水分过多或过少，都将大大影响燃料电池的性能。因此，必须将水分严格控制在一定范围内。 5) 价格问题。目前的燃料电池价格虽有大幅度的下降，但还是太高，目前大约要（500 美元/kW）以上，目标要求达到30～50 美元，才有可能与目前的内燃机竞争。 据专家分析，要解决上述问题，使其达到实用化大批量使用程度，乐观估计需10～20 年，有的估计需20～30 年时间。也有专家认为，燃料电池汽车和电动汽车关键技术取得突破及实现产业化预期较远，并存在较大不确定性。因此技术基本成熟的混合动力汽车可作为近期研发、中期产业化的重要选择；目前，国内在燃料电池和电动汽车电池等关键技术有待继续深入研究，还没有取得实质突破，制约着燃料电池汽车和电动汽车的产业化。一旦取得突破，将加快燃料电池汽车和电动汽车的产业化。 5 结论 据大量的调查研究表明，混合动力汽车是目前解决环境与能源问题最切实可行的方案，也是近期汽车发展的主要趋势。世界各主要发达国家都投巨资进行开发。并取得了可喜的进展，目前已达到或接近实用化程度。 混合动力汽车的发动机比现在汽车发动机小，电池比纯电动车的电池小，其一次加油行驶里程以及动力性与目前汽车差不多，但油耗及排放量大大减少，日本丰田公司开发的混合动力汽车“先驱者”（PRUS）可节油50%，二氧化碳量减少一半，HC、NOX、CO 减少90%。 在刚刚落下帷幕的第四届上海国际工业博览会上，一辆“没有发动机”的小轿车——“春晖一号”的出现，让不少参观者为之驻足。这辆汽车使用了由锂电池和氢燃料电池组成的新型动力装置，替代了传统的发动机、变速箱、机械差速器和机械传动轴等装置。 在同济大学汽车学院的实验室里，有正在研制的“超越一号”，和概念车“春晖一号”不同，“披着桑塔纳外衣”的“超越一号”具备了完整的车型，是一部真正意义上的燃料电池汽车。 ●名词解释：混合动力汽车 混合动力汽车，顾名思义就是由发动机和电机混合驱动车轮的汽车。在一般情况下，汽车由电机驱动，发动机发电向电池充电，在高速、大载荷及加速时，由电机和发动机共同驱动，汽车制动时，其能量可以回收，将动能转为电能向电池充电。这样发动机可以保持在最佳的工况下运行，保证其油耗和排放量最少。(end)

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