徐时宇 1121燃料电池汽车发展——电动汽车新技术论文

1、燃料电池电动汽车电池技术及其发展概况摘要：随着世界经济与人口的快速增长，人们对石油等资源的需求越来越大。传统的化石燃料正面临枯竭的危险，同时，石油等资源的利用也不可避免的带来环境的污染，为了给子孙后代的创造可持续的发展环境，我们急需发展一种全新的“清洁”汽车。燃料电池汽车作为一种理想的传统汽车替代方案有着其固有的优势，本文将以典型的燃料电池汽车为例，阐述燃料电池汽车的主要结构，技术特点。并将对燃料电池汽车的发展进行概括。    关键词: 燃料电池 特点 问题Abstract: as the world economy and the rapid grow

2、th of population, people demand for oil and other resources is more and more big. Traditional fossil fuels are facing the danger, at the same time, the use of oil and other resources may inevitably bring the environment pollution, in order to create sustainable development environment for future gen

3、erations, we need to develop a new kind of "clean" cars. Fuel cell vehicles as a kind of ideal traditional automobile alternative has its inherent advantages, this article will in a typical fuel cell car as an example, expounds the main structure of fuel cell vehicles, technical characteri

4、stics. And will make a summarize on the development of fuel cell vehicles.Keywords: A fuel cell characteristics problem1.燃料电池电动汽车的发展慨况      20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力，开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公

5、司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只有内燃机的5%。估计在5年内可研制出使用该种动力系统的电动汽车，并有望于2005年投入商业化生产。    1.1 国外燃料电池电动汽车发展概况  加拿大Ballard汽车公司是PEM

6、FC燃料电池技术领域中的世界先驱，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德在政府的支持下，为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市(参数 图片)公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2(参数 图片)即可连续运行480km。目前，Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。  在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效

7、率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC)，1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。  在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的De No公司处于领先水平。德国奔驰(参数 图片)公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。  法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且

8、采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。  英国能源部也于1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。PEMFC的研究重点是改善催化材料的性能并探索铂(Pt)催化剂的涂覆方法，降低铂(Pt)含量，提高铂(Pt)利用率和耐受CO的允许值。1.2我国燃料电池电动汽车发展概况在中国国家“八六三”高技术项目、“十五规划”的电动汽车重大科技专项与“十一五规划”节能与新能源汽车重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队的刻苦攻关，中国的燃料电池汽车技术研发取得

9、重大进展，初步掌握了整车、动力系统与核心部件的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车与燃料电池城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系，实现了百辆级动力系统与整车的生产能力。 中国燃料电池汽车正处于商业化示范运行考核与应用的阶段，已在北京奥运燃料电池汽车规模示范、上海世博燃料电池汽车规模示范、UNDP（United Nations Development Programme，联合国开发计划)燃料电池城市客车示范以及“十城千辆”、广州亚运会、深圳大运会等示范应用中取得了良好的社会效益。 &

10、#160;    我国在燃料电池电动车领域的研究水平与发达国家相差无几，由清华大学和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动旅游观光车，展示了国内研制电动车的最新技术。有关专家指出，我国完全有能力在这一领域赶超世界先进水平。2.燃料电池概述燃料电池（Fuel cell），是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，最早由英国物理学家威廉·格鲁夫爵士发明，由于燃料电池具有质量能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等优点，燃料电池获得了较快的发展。2.1燃料电池的类型&

11、#160; 燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2种；按工作温度分为低温型(低于200)、中温型(200-750)和高温型(高于750)；按电解质类型不同分，常有这几种：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。这些燃料电池的性能和特点见表：  由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以及作为车辆所必需的快速起动和动力响应的能力，同时，具有成本低、安全性好、寿命长等特点。从能量密度、操作温度、耐CO2能力以及耐振动冲击能力等来看，质子

12、交换膜燃料电池(PEMFC)最适合用作电动汽车的动力电源，它与电动机结合后，成为一种新概念的动力机，是内燃机最强有力的竞争者。2.2燃料电池的工作原理：燃料电池严格意义上讲只是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同，但是工作方式与普通的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持续的供给，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过改变化学反应的条件来改变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为温和，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%【1】，远高于内燃机的30%40%）的内燃机。燃料（氢气）

13、进入气体通道到达阳极（Anode），在铂催化剂的作用下，发生阳极反应： 然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）。同时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+在催化剂作用下发生阴极反应： 2.3燃料电池的特点燃料电池的诸多优点使得其在汽车上有广泛的应用前景，燃料电池有很多的优点：2.3.1燃料电池的能量转换效率高由于燃料电池采用电化学反应，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100%（但由于电化学反应也不可避免的要生成热量，实际效率一般为60%80%），使用效率更可

14、达普通内燃机的23倍。2.3.2真正清洁无污染由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能(蓄电池)方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。如果氢是通过可再生能源产生的，那么就可以做到真正的清洁无污染。虽然蓄电池工作过程中也不产生环境污染，但是蓄电池的制造过程一般会对环境造成较大的负面，例如市面上采用最为广泛的聚合物锂离子电池、镍氢蓄电池等可充电电池，在生产时要用到镍、锂等难炼制金属，而且镍、锂矿的开采以及镍、锂（锂是极活泼元素）的提取需要

15、耗费巨大的资源，间接造成了环境的污染。2.3.3安静无噪声 燃料电池运行安静,没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人们正常交谈的水平。2.3.4能量密度高，功率输出平稳通过改变燃料电池的反应条件，甚至可以瞬时将输出功率提高到额定功率的200%。2.3.5燃料补充方便可以以氢气、甲醇、天然气等作为资源，可以方便的利用现成的加油站系统改造燃料电池汽车所需的加氢站，加气站。3.燃料电池电动汽车结构布置     燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在

16、于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。      直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。目前，通过重整反应利用

17、甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。      福特汽车公司的21世纪绿色汽车的开发计划中，FCEV作为开发研究重点，其推出的P2000HFC试验车即为直接供氢的FCEV，福特公司也有利用甲醇进行改质产生氢气的技术。目前，福特公司与石油公司摩比尔一起开发更具实际意义的车载汽油改质氢燃料电池车(FCEV)。从基础设施建设和社会使用环境上看，汽油改质型比甲醇改质型更为有利。新开发的汽油改质器与以往的相比，质量和体积都缩减了

18、30%左右，从而提供了车载性，实现了与汽油相媲美的包装效率，对汽油改质氢FCEV的早日实用化及FCEV的普及推广具有重要意义。4燃料电池汽车结构与特点燃料电池汽车按燃料种类可分为：1.以纯氢气为燃料的燃料电池汽车2.以天然气，汽油等富含氢原子的烃类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池汽车。 按电源系统的配置不同，可分为：1.燃料电池直接驱动型2.燃料电池与蓄电池混合电源型。3.燃料电池与超级电容器混合电源型。4.燃料电池与蓄电池及超级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽车一般均使用第2，3，4三种能量供应方式。5 燃料电池电动车车型5.1燃料电池轿车中国燃料电

19、池轿车采用独具特色的“电电混合”动力系统平台技术方案，具有“动力系统平台整车适配、电电混合能源动力控制、车载高压储氢系统、工业副产氢气纯化利用”的技术特征。在“十五规划”研发的基础上，“十一五规划”新一代燃料电池轿车动力系统结合整车平台的改变，采用扁平化的动力系统布置方式，燃料电池发动机氢气子系统、空气子系统与冷却系统采用模块化分散布置的模式，增加了动力系统与整车适配的柔性，明显提升整车的人机工程性能。同时，优化集成DC/DC变换器、DC/AC控制器以及电动空调和低压变换器等功率元器件的动力系统控制单元，在提升模块化的同时方便集中处理电磁兼容、系统冷却以及电安全等问题，体现了电动汽车动力系统集

20、成设计的方向。与“十五规划”燃料电池轿车动力系统相比，新一代动力系统的性能得到进一步优化与提高。主要表现在：燃料电池发动机功率从40 kW提高到55 kW；动力蓄电池容量从48 kWh减小到26 kWh；电机功率从60 kW提高到90 kW；电机控制器(DC/AC)功率提高35，体积比功率增加12.5。同时，动力系统继续保持燃料经济性的技术优势，在车辆整备质量增加近250公斤的前提下整车动力性明显提高，燃料经济性则仍然保持在1.2 kg/(100 km)的原有水平。中国国家“八六三”高技术项目持续支持燃料电池汽车的技术研发工作，“十二五规划”期间为保持中国电动汽车技术制高点，继续保持了对燃料电

21、池汽车的支持力度。从产业界来看，即使在“十五、十一五规划”燃料电池汽车全球产业化热潮期间，中国汽车工业界并没有在燃料电池汽车方面有明显投入，进入“十二五规划”后，在燃料电池汽车产业化趋于理性化的大背景下，上汽集团制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源动力为燃料电池电堆供应商，开始投入大量资金研发燃料电池汽车，目前正进行第3代燃料电池轿车FCV的开发，在2011年必比登比赛中，上汽开发的FCV在燃料电池轿车组别中，名列第3 。同济大学已开展多轮燃料电池轿车的研发工作，研制的燃料电池轿车已在奥运会、世博会进行大规模示范运行。在“十二五规划”期间，同济大学将为中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、奇

22、瑞汽车股份有限公司和中国长安汽车集团股份有限公司集成燃料电池轿车。5.2燃料电池城市客车清华大学从“十五规划”开始承担国家“八六三”高技术项目中燃料电池城市客车动力系统的研发课题，先后进行了多轮燃料电池客车动力系统的研发，完成了北京奥运会、上海世博会和新加坡首届青奥会的商业化示范，取得了良好的社会效益。目前采用与国际同领域权威单位不同的技术路线，探索对比了能量混合型和功率混合型两种不同的燃料的基础上，“十一五电池混合动力方案，在“十五规划”规划”期间燃料电池城市客车在“三大系统(电动化底盘、混合动力、整车控制)和三大技术（燃料电池动力系统耐久性、氢电安全性、整车燃料经济性）”取得新突破。基于国

23、家标准城市公交循环的整车单位里程耗氢量 8.5 kg/(100 km)，达到国际先进水平。在车辆性能和配置基本相当的情况下，生产成本只有国外的30%。代表性燃料电池混合动力城市客车的技术参数如表218 所示。6燃料电池存在的问题虽然燃料电池系统有很多的优点，仍然存在不少不足。最主要的问题就是过高的成本，由于燃料电池需要用昂贵的铂催化剂，造成燃料电池的成本一直居高不下，虽然最近几年随着国际社会加大了对燃料电池的开发力度，使得成本有所下降，但是较高的成本依然是燃料电池技术广泛普及的最大障碍。其次，燃料电池的燃料-氢气的储藏与制备技术仍不成熟。大规模的制造氢气仍然一定的问题。61与普通蓄电池的区别1

24、.燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置（严格意义上讲燃料电池不是电池，只是一个能量生成装置）。但燃料电池在产生电能时，参加电化学反应的燃料在经过反应后，被不断地消耗且生成不可重新利用的反应物。因此，燃料电池需要不断地输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，但是燃料电池不可以充电。2.普通蓄电池是一种能量储存装置，只存储电能，不产生电能。蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电反复进行可逆性化学变化，活性物质一般不会产生消耗。普通蓄电池的技术性能确定后，必须先充电，将电能储存到电池中，才能在工作时输出电能，而且在电能消耗完后，

25、必须在重复充电后才可能重复使用，其放电特性是循环进行的，而且使用寿命一般与燃料电池相比较短。6.2车用燃料电池急需解决的关键问题如下      (1)提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高动力车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。就PEMFC本身来说，主要的技术研究方向如下。   聚合物电解质：深入研究聚合物电解质中的传导和扩散机理，开发新的结构模式。选择造价低、易于生产且化学结构相对简单的膜片。同时开发可在高温(200)下传导质子的聚合物，减少CO对电极催化剂的毒害，并提高废热的回收利

26、用率。   电极催化剂：研究电极反应及中间反应机理，继续开发耐杂质、高性能、低造价的电极催化剂。   电极结构：从微观及分子角度研究构成电极结构的材料特性、结构和性能之间的关系。   其它方面：对于像压缩机、泵、热交换器、重整装置、选择氧化器等的系统元件都要在材料、体积及应用性能方面进行优化研究；减小体积和质量，以便装入汽车等动力装置有限的使用空间。  (2)必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量。  (3)必须解决好氢

27、气的安全问题。研究表明：在一定的条件下，氢气比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求。  (4)电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用。  (5)发展结构紧凑及性能可靠的PEMFC的同时开发应用其它燃料，像甲烷、柴油等驱动的PEMFC，这将会拓宽PEMFC的应用范围。6.3燃料电池汽车推广存在的问题 燃料电池汽车虽然较传统的汽油汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车有技术上的优势，但是却一时难以普及，原因是多方面的。1.燃料电池的成本过高。燃料电池的成本过高

28、是制约燃料电池汽车发展的最大阻碍，早期由于燃料电池采用贵重的铂金属催化剂，使得成本居高不下，虽然近几年通过世界各地科研人员的不懈努力，已经开发出了新型的无铂催化剂，使得电池成本有了明显的降低，但是仍然没有降到可以进行大规模普及的程度。以奔驰B级燃料电池汽车为例，奔驰B级燃料电池汽车的售价为5万美元，约33万人民币，而同时期的奔驰B级汽车的售价却只有约22万人民币（以上均指美国售价）。燃料电池型号贵了近11万人民币。另外计划于2015年上市的丰田Mark X Zio燃料电池汽车售价预计为980万日元（约80万人民币）。远高于普通汽油汽车售价。高昂的成本成为制约燃料电池汽车发展的一大难题。2配套设

29、施建设成本较大。目前最方便的加氢站建设方案就是在传统加油站的基础上进行改造。以美国为例，如果将全美的加油站全部改造成加氢站，将至少花费15亿美元（约95亿人民币），这笔钱并不算少。3.氢气制取存在困难。现在仍然不能以较低成本的大量制取氢气，现在主要通过煤炭与水的反应、天然气重整以及电解水等方式生产氢气。这些方法无一例外的存在成本较高的缺点。7结语燃料电池汽车凭借其独特的技术优势。在不久的将来极有可能替代传统的内燃机车辆，混合动力汽车甚至是纯电动汽车，成为我们日常生活必不可少的一部分。但从目前情况看，燃料电池汽车如果想要在产业化发展方面取得突破，还需要着力解决辅助设施建设和成本过高这两个方面的问

30、题。首先，在辅助设施建设上还需要加快燃料电池汽车所需的加气站的建设。同时改善氢气的制取工艺，设法降低氢气的制取、运输、存储成本。另一方面方面。燃料电池极高的成本极大的限制了燃料电池汽车的发展与应用，能否降低燃料电池的生产成本将极大的影响燃料电池汽车及燃料电池技术的普及。但我相信在全世界各地科研人员的努力下，必将攻克燃料电池成本过高的技术难关。参考文献：【1】Cleantech Group. Clean energy patent growth index2012 year in review EB/OL. (2013-03-15).【2】 Blanco S. Germany will have