燃料電池電動汽車的發(fā)展及技術關鍵

摘要：能源和環(huán)境問題已成為傳統(tǒng)汽車發(fā)展的最大障礙，融合各種高新技術，立足于氫能基礎上的燃料電池汽車為汽車工業(yè)的進步注入了活力。燃料電池汽車目前還面臨眾多的技術問題，在成本上離商業(yè)化還有不小的距離，但燃料電池汽車擁有無以比擬的良好性能，代表了電動汽車的發(fā)展方向。

關鍵字：燃料電池；電動汽車；技術關鍵

引言

汽車的出現(xiàn)促進了經濟發(fā)展，改善了人們生活。汽車工業(yè)已經成為世界主要工業(yè)化國家的支柱產業(yè)和一個國家現(xiàn)代化水平的重要標志之一。隨著汽車產量和保有量的日益增多，以石油產品為動力源的車輛所排放的廢氣成了影響地球氣候和城市環(huán)境污染的主要來源，此外能源短缺問題也越來越嚴峻。能源和環(huán)境問題已成為傳統(tǒng)汽車發(fā)展的最大障礙，尋找和發(fā)展新的汽車潔凈動力源是當今汽車領域研究的熱點。20世紀90年代以來，融合各種高新技術而興起的，立足于氫能基礎上的燃料電池汽車代表了電動汽車的發(fā)展方向。

1 燃料電池汽車的應用前景

目前的電動汽車主要分為純電動汽車(BEV，Battery Electric Vehicle)、混合動力電動汽車(HEV，Hybrid ElectricVehicle)和燃料電池電動汽車(FCEV，F(xiàn)uelCell Electric Vehicle)三類。

純電動汽車使用電動機作為動力，用電化學蓄電池作為能源儲存單元，具有不依賴于石油，無噪聲和振動、操作性能好、效率高等突出優(yōu)點。然而電化學蓄電池的能量密度和功率密度相對而言比較小，續(xù)航能力低，目前只能用于旅游觀光等短程行駛。雖然近來高性能電池如鋰離子電池的發(fā)展取得很大成功，但其成本較高，使得純電動汽車的進一步推廣存在非常大的困難。

混合動力電動汽車使用內燃機和電動機作為動力，節(jié)約了不可再生能源，同時極大的降低了尾氣的排放，是目前電動汽車市場的主流。然而將兩套系統(tǒng)同時安裝于本來只裝一套系統(tǒng)的汽車上，不僅加大了汽車本身的重量，也增加了整體工藝、控制等方面的要求。另外它還是用到了傳統(tǒng)的內燃機，其消耗不可再生能源在所難免，在改善能源利用率和保護環(huán)境方面的表現(xiàn)還不盡人意。

燃料電池電動汽車以電動機為動力，用燃料電池作為能源轉換裝置，利用氫氣作為燃料。與傳統(tǒng)內燃機汽車相比，F(xiàn)CEV不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制，具有能量轉化效率高、環(huán)境友好等內燃機汽車不可比擬的優(yōu)點，同時仍然可以保持傳統(tǒng)內燃機汽車高速度、長距離行駛和安全、舒適等性能，被認為是21世紀首選的潔凈、高效運輸工具。國內外專家普遍認為燃料電池技術將成為21世紀汽車工業(yè)核心。國家863計劃中，明確將燃料電池汽車發(fā)展放在了我國的電動汽車發(fā)展的首位。

2 燃料電池種類及性質

燃料電池是利用燃料(氫氣)和氧化物的電化學反應，將燃料的化學能直接轉化為電能的高效發(fā)電裝置。通常由氧電極、燃料電極、電解質和催化劑等組成。

燃料電池種類繁多，按照電解質的種類可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)等。

(一)堿性燃料電池

堿性燃料電池的電解質為氫氧化鉀(KOH)，在燃料電極處以多孔鎳(Ni)或鉑(Pt)為催化劑。在氧化極處以多孔銀(Ag)或金屬氧化物、尖晶石等為催化劑。一般以石墨、鎳和不銹鋼作為結構材料。堿性燃料電池是開發(fā)研究較早的一種燃料電池，其氧電極在堿性電解質的極化要比在酸性電解質的極化小得多，還可以用非貴重金屬作為催化劑，結構材料價格比較低廉。可以通過對氫燃料量的控制，實現(xiàn)對其發(fā)電量的控制。但是堿性燃料電池需要以純氫為燃料，如果燃料中含有碳，碳與氧化合成一氧化碳會引起催化劑產生“中毒”現(xiàn)象而逐漸失效，使燃料電池效率降低或完全損壞，二氧化碳也會被堿性溶液所吸收化合成碳酸鹽，因此堿性燃料電池的燃氣必須經過處理來清除一氧化碳和二氧化碳后方能使用。堿性燃料電池的工作溫度低，其余熱利用價值較低。另外在陽極上鉑(Pt)的用量大，使得堿性燃料電池的成本增加。

(二)熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池以多種碳酸鹽混合物作為電解質，在氧電極采用了摻鋰(Li)的氧化鎳作為催化劑，在燃料電極采用了多孔鎳(Ni)作為催化劑。熔融碳酸鹽燃料電池采用非貴重金屬作為催化劑，降低了使用成本。能夠耐受CO和CO2的作用，可采用富氫燃料。用鎳(Ni)或不銹鋼作為電池的結構材料，材料容易獲得并且價格便宜。熔融碳酸鹽燃料電池為高溫燃料電池，余熱溫度高，余熱可以充分利用。但是熔融碳酸鹽燃料電池也有不足之處，它以Li2CO3及K2CO3混合物作為電解質，在使用過程中會燒損和脆裂，降低了熔融碳酸鹽燃料電池的使用壽命。電池化學反應過程十分復雜，使得其結構和控制亦變得很復雜。

3 燃料電池汽車的技術關鍵

燃料電池汽車代表著未來汽車發(fā)展的方向，但從目前的技術條件來看離實現(xiàn)全面的商業(yè)化還有一定的距離。

(一)燃料電池發(fā)動機

獨立的燃料電池堆是不能作為汽車發(fā)動機的，必須和燃料供給系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)及能控制各種閥件、傳感器和水、熱、氣調節(jié)裝置的控制系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)結合在一起才能對外輸出功率。

燃料的純潔度關系著電池的性能和可靠性。燃料電池的功率密度隨氧氣壓力的增大而升高，但使用空氣壓縮機提高空氣供給壓力又會因壓縮機的寄生功率使得輸出功率降低。電池內部的水/熱管理是燃料電池的難點和重點，是決定電池性能的關鍵。低溫運轉的燃料電池堆，熱量排出很困難。燃料電池需要潮化薄膜和陽極、陰極氣體，使質子轉移以產生電力，當在冰點以下溫度停車時，發(fā)生冷啟動問題。

隨著電堆技術的日趨成熟，控制系統(tǒng)將成為決定燃料電池發(fā)動機性能和制造成本的瓶頸。研制高效率、低成本和可靠性高的各子系統(tǒng)，及對系統(tǒng)進行優(yōu)化集成、提高發(fā)動機的比功率，改進和實現(xiàn)燃料電池動力平臺輕量化和小型化仍是當務之急。

(二)燃料的制備、儲存和運輸

燃料電池車的續(xù)駛里程取決于所攜帶的氫的量，燃料的選擇、存儲與供給體系及安全問題與汽車主體結構同樣重要。燃料電池可以使用多種燃料，但主要為氫氣、天然氣和甲醇。

燃料電池電動汽車中燃料的儲存及供給方法有2種：直接儲存氫氣的方式及碳化氫系液態(tài)燃料改性的方式。

直接儲存氫氣的方式是將氫氣直接補充給電動汽車，雖然車上無需改性器，汽車系統(tǒng)較簡單，但必須另外建立補充氫氣的設施。常用的儲氫方法有：氣態(tài)壓縮儲氫、液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫等。碳納米管和碳晶須儲氫材料技術還處在實驗室研究階段。碳化氫系液態(tài)燃料改性方式，其燃料補充及補給設施的建立是較容易的，而且具有持續(xù)行駛里程長的特點，但是，改性器的存在帶來較多技術問題，如增加了車輛的體積和重量，還有響應性能、啟動性能方面的問題，而且，含有雜質的改性氣體還會使燃料電池發(fā)電特性惡化等問題。

氫氣揮發(fā)性高，擴散快，在管道、容器中容易泄漏。當氫氣在空氣中的濃度達到4％時，就有可能引起爆炸。燃料系統(tǒng)的安全性也是關鍵問題之一。

4 結語

節(jié)能和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展要求決定了電動汽車將在汽車工業(yè)中扮演越來越重要的角色。燃料電池汽車目前還面臨眾多的技術問題，在成本上離商業(yè)化還有不小的距離，但燃料電池汽車擁有無以比擬的良好性能，必將代表電動汽車的發(fā)展方向。