燃料電池車(chē)發(fā)展概況及展望

問(wèn)朋朋，黃明宇， 倪紅軍， 賈中實(shí)

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平得到很大提高，但是由于人們過(guò)度利用現(xiàn)代交通工具而造成化石能源危機(jī)和環(huán)境逐步惡化，進(jìn)而威脅到汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。基于此種情形，尋求一種既能利用可再生能源而又不污染環(huán)境的新能源車(chē)受到國(guó)際社會(huì)的極大關(guān)注。燃料電池車(chē)是一種新能源車(chē)，它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，從而成為汽車(chē)工業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。本文介紹了燃料電池車(chē)的優(yōu)勢(shì)，綜述了國(guó)內(nèi)外燃料電池車(chē)的發(fā)展概況，側(cè)重從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其控制方面以及車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)方面對(duì)燃料電池車(chē)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 燃料電池車(chē)的優(yōu)勢(shì)

燃料電池車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)最大的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)力系統(tǒng)的不同，前者采用的是燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源，后者采用的是內(nèi)燃機(jī)。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和普通電池相比，燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，既可像電池一樣安靜、清潔地提供電力，又可像內(nèi)燃機(jī)一樣重新添加燃料。燃料電池由于電解質(zhì)不同而有各種類(lèi)型，其中PEMFC是目前世界上最成熟的一種將可再生能源資源氫氣與空氣中的氧氣化合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“零排放”，并且具有體積小、可靠性高、工作溫度低等許多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是第四代電源技術(shù)和汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)最有希望的替代者，成為解決能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的首選汽車(chē)動(dòng)力源。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在投巨資研究和發(fā)展PEMFC技術(shù)，我國(guó)政府也積極支持這方面研究，PEMFC發(fā)展前景廣闊，在汽車(chē)上的應(yīng)用已取得了較大的進(jìn)展：加拿大的Ballard公司制造的燃料電池公共汽車(chē)已經(jīng)投入實(shí)際使用，而德國(guó)的奔馳汽車(chē)公司、日本的本田汽車(chē)公司和美國(guó)的通用汽車(chē)公司也相繼推出了燃料電池樣車(chē)，其它一些著名的汽車(chē)公司都積極致力于燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)研制工作[1-2]。目前世界上燃料電池車(chē)還處于試驗(yàn)階段，還沒(méi)有正式大規(guī)模投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及展望

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

“十五”期間，我國(guó)設(shè)立了“863”電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)，把自主研發(fā)燃料電池汽車(chē)作為重點(diǎn)跨越領(lǐng)域。“十一五”期間，我國(guó)制定了《中國(guó)至2050年能源科技發(fā)展路線(xiàn)圖》，提出了包括氫能利用技術(shù)在內(nèi)的10個(gè)重要能源技術(shù)方向，針對(duì)此技術(shù)提出了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的科技目標(biāo)[3]：2010～2020年，燃料電池汽車(chē)尚處于研發(fā)示范階段與小規(guī)模商業(yè)化階段，2020年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車(chē)產(chǎn)量的1%，數(shù)量為15萬(wàn)輛；2021～2035年，燃料電池汽車(chē)將處于商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，2030年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車(chē)產(chǎn)量的5%～8%，數(shù)量為百萬(wàn)輛，總?cè)剂想姵仄?chē)保有量達(dá)1000萬(wàn)輛；2036～2050年，燃料電池汽車(chē)將處于商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，2050年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車(chē)產(chǎn)量的三分之一，數(shù)量為千萬(wàn)輛，總?cè)剂想姵仄?chē)保有量達(dá)5000萬(wàn)輛以上。“十二五”規(guī)劃提出要培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其中就包括新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。此外，2009年元月，我國(guó)科技部等四個(gè)部門(mén)共同啟動(dòng)了“十城千輛”計(jì)劃，提出到2012年力爭(zhēng)使全國(guó)新能源汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)規(guī)模占到汽車(chē)市場(chǎng)份額的10%。

在這些政策的引導(dǎo)下，自2003年以來(lái)我國(guó)相繼推出四代燃料電池車(chē)，它們的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1[4-8]。

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2004年，我國(guó)臺(tái)灣明道大學(xué)成功研制出一種搭載5 kW質(zhì)子交換膜燃料電池的輕型燃料電池車(chē)“明道氫能車(chē)2號(hào)(MHV-2)”，該車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2[9]。

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2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，有3輛燃料電池客車(chē)和20輛燃料電池轎車(chē)為奧運(yùn)服務(wù)；2010年上海世博會(huì)期間，有196輛燃料電池汽車(chē)為世博服務(wù)，其中包括90輛燃料電池轎車(chē)(如圖1)、6輛燃料電池客車(chē)和100輛燃料電池觀光車(chē)。

圖1 服務(wù)于上海世博會(huì)的燃料電池轎車(chē)

此外，在國(guó)內(nèi)外著名車(chē)展上展出的新能源車(chē)，成為燃料電池車(chē)發(fā)展的一個(gè)風(fēng)向標(biāo)，代表了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段燃料電池車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r，如在第11屆北京車(chē)展上展出的長(zhǎng)安志翔燃料電池轎車(chē)、一汽奔騰“B70FCV”等以及在第63屆法蘭克福車(chē)展上展出的奔馳“B-Class F-CELL”和第40屆東京車(chē)展上展出的本田“FCX CLARITY”。

2.2 國(guó)外發(fā)展概況

世界各大汽車(chē)制造商普遍認(rèn)為，近期真正有可能取代傳統(tǒng)汽車(chē)的清潔交通工具，只能是FCV。近幾年，PEMFC汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)超過(guò)了蓄電池電動(dòng)汽車(chē)。美國(guó)《時(shí)代周刊》將燃料電池列為21世紀(jì)十大高科技之首，早在2002年出臺(tái)的“Freedom CAR”計(jì)劃，確定將使用燃料電池作為社會(huì)的主要能源，首先在汽車(chē)產(chǎn)品上使用[10]。這幾年受金融危機(jī)的影響，美國(guó)政府的政策有些調(diào)整，在這方面速度放緩，但在燃料電池的基礎(chǔ)研究和整車(chē)研究方面仍有所重點(diǎn)的繼續(xù)開(kāi)展研究，如美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2011年3月30日表示，從2015年開(kāi)始，美國(guó)聯(lián)邦政府將僅采購(gòu)純電動(dòng)、混合動(dòng)力或其他新能源汽車(chē)作為政府用車(chē)。美國(guó)、歐洲和日本的汽車(chē)制造商都還在加緊研發(fā)燃料電池車(chē)，下面主要以本田、奔馳、通用和現(xiàn)代汽車(chē)公司研發(fā)的燃料電池車(chē)為例對(duì)國(guó)外燃料電池車(chē)的發(fā)展概況進(jìn)行闡述。

本田從1999年開(kāi)始相繼推出六款燃料電池車(chē)，它們的主要規(guī)格與技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3[11-12]。

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戴姆勒-奔馳在2005年北美車(chē)展上展出一款燃料電池概念車(chē)“B-Class F-Cell”，該車(chē)一次加氫續(xù)駛里程400 km，百公里綜合燃料消耗約合3.3 L柴油；該車(chē)設(shè)計(jì)了性能良好的冷卻系統(tǒng)和溫度管理系統(tǒng)，在冷車(chē)啟動(dòng)或低溫啟動(dòng)(即使溫度在－25℃的狀態(tài))時(shí)，溫度管理系統(tǒng)能夠讓電池組快速達(dá)到80℃的最理想工作溫度；當(dāng)車(chē)輛停止后，冷卻系統(tǒng)能夠?yàn)殡姵亟M立即散熱[13]。此外，奔馳新款B級(jí)F-CELL燃料電池車(chē)(圖2)亮相2011年上海車(chē)展，該車(chē)最大功率130馬力，最大扭矩290 N·m，最高時(shí)速170 km/h，總的續(xù)航里程380公里，每次充滿(mǎn)燃料僅需3 min，已經(jīng)足夠滿(mǎn)足相鄰兩座城市間的通勤需要；該車(chē)主要驅(qū)動(dòng)部件位于三明治車(chē)身結(jié)構(gòu)的底部，這種布置不僅可以非常有效地保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且降低了車(chē)身重心，節(jié)約了車(chē)身空間。

圖2 奔馳新款B級(jí)F-CELL燃料電池車(chē)

美國(guó)GM從1998年開(kāi)始，相繼推出了三款燃料電池車(chē)，它們的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4[14-16]。

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韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司于2010年推出第三代燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，即“Tucson ix”FCEV，該車(chē)設(shè)置有100 kW燃料電池系統(tǒng)和2個(gè)儲(chǔ)氫罐，可在－25℃啟動(dòng)，最高車(chē)速160 km/h，最大行程650 km。

2.3 發(fā)展展望

燃料電池車(chē)要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)推廣應(yīng)用，還需解決很多問(wèn)題，但隨著電池技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題終將得到解決，燃料電池車(chē)將會(huì)很快走向商業(yè)應(yīng)用。下面從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其控制方面以及車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)方面對(duì)燃料電池車(chē)的發(fā)展進(jìn)行評(píng)述。

楊武[17]圍繞影響燃料電池系統(tǒng)效率的幾個(gè)主要因素，利用模型仿真技術(shù)，研究了提高燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)效率的措施及其效果，這些結(jié)論為研發(fā)高性能車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)指明了方向。CHEN Li-ming等[18]構(gòu)造了一個(gè)PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行仿真研究，此研究為燃料電池車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的過(guò)程設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。田玉冬等[19]研究了PEMFC系統(tǒng)建模，闡述了PEMFC建模的發(fā)展趨勢(shì)，并通過(guò)分析PEMFC控制的特點(diǎn)，從工程的角度提出了PEMFC系統(tǒng)控制方案。陳越華等[20]從設(shè)計(jì)PEMFC控制方案的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)適合于控制PEMFC這樣一類(lèi)復(fù)雜非線(xiàn)性系統(tǒng)。陳桂蘭等[21]對(duì)PEMFC控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，此控制系統(tǒng)控制穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，可應(yīng)用于100～5000 W的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

高效、安全的車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)的研發(fā)是制約氫燃料電池車(chē)商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。在儲(chǔ)氫技術(shù)中，液氫、高壓容器以及金屬氫化物儲(chǔ)氫系統(tǒng)均在車(chē)上試用或進(jìn)行銷(xiāo)售。現(xiàn)有儲(chǔ)氫材料技術(shù)與車(chē)載儲(chǔ)氫應(yīng)用需求之間的差距還比較大，在溫和操作溫度下難于獲取高的儲(chǔ)氫密度仍然是各類(lèi)儲(chǔ)氫材料研究中面臨的關(guān)鍵共性課題[22]。Y.KATO等[23]研究了一種利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫的安全供給而不產(chǎn)生二氧化碳的車(chē)用載氫系統(tǒng)。Ki-Joon Jeon等[24]研制出一種高效儲(chǔ)氫納米復(fù)合材料，它能在常溫下快速吸收和釋放氫氣，這是氫氣儲(chǔ)存和氫燃料電池等領(lǐng)域取得的又一個(gè)重大突破。

3 結(jié)語(yǔ)

燃料電池車(chē)是一種新能源車(chē)，它繼承了傳統(tǒng)汽車(chē)的許多優(yōu)良性能，如高速度、加速性能、長(zhǎng)距離行駛以及安全舒適等，同時(shí)克服了純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而且適應(yīng)了當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求，從而成為各國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)。我國(guó)對(duì)燃料電池車(chē)的發(fā)展十分重視，從“十五”到“十二五”都制定了相關(guān)規(guī)劃，在這些政策引導(dǎo)下，我國(guó)已研發(fā)出四代燃料電池車(chē)。美國(guó)、歐洲和日本的汽車(chē)制造商都在加緊研發(fā)燃料電池車(chē)，相繼推出了不同類(lèi)型的燃料電池車(chē)。

目前，燃料電池車(chē)的成本、低溫啟動(dòng)、加速性能、最高車(chē)速、對(duì)國(guó)內(nèi)空氣質(zhì)量的適應(yīng)能力以及續(xù)駛里程等與傳統(tǒng)汽車(chē)相比都存在一定差距，此外還有制氫、儲(chǔ)氫以及加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建等，這些問(wèn)題都是制約燃料電池車(chē)走向商業(yè)化的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問(wèn)題會(huì)相繼得到解決，如采用非Pt或低Pt催化劑，復(fù)合材料雙極板等，雖會(huì)降低一些電池性能，但會(huì)帶來(lái)成本的大大降低；仍采用加注燃油，但通過(guò)重整制氫，雖會(huì)降低一些效率，但會(huì)大大降低污染排放，同時(shí)無(wú)需另建加氫裝置。這些都是一個(gè)很好的發(fā)展方向，或許目前也只有這樣燃料電池車(chē)才能真正走向商業(yè)化。此外，燃料電池車(chē)的推廣，除了技術(shù)層面外，還需政府繼續(xù)給予政策方面的支持等。

[1]張克軍.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究進(jìn)展[J].化工時(shí)刊,2008,22(9):50-55.

[2]黃明宇,倪紅軍,周一丹,等.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究與應(yīng)用[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,4(4):10-13.

[3]中國(guó)科學(xué)院能源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組.中國(guó)至2050年能源科技發(fā)展路線(xiàn)圖[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[4]張文娟.2005年度“中國(guó)高校十大科技進(jìn)展”入選項(xiàng)目簡(jiǎn)介[J].中國(guó)高校科技與產(chǎn)業(yè)化,2006(z1):36-42.

[5]胡興軍.國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海機(jī)電進(jìn)出口貿(mào)易,2005(1):24-26.

[6]EMADI A,RAJASHEKARA K,WILLIAMSON S S,et al.Topological overview of hybrid electric and fuel cell vehicular power system architectures and configurations[J].IEEE Trans Vehicular Technology,2005,54(3):763-770.

[7]袁哲.我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J].科協(xié)論壇,2009(9):24-25.

[8]徐晶卉,李雪林.最高時(shí)速150公里，百公里加速時(shí)間15秒，比普通汽車(chē)節(jié)能40%—第四代燃料電池車(chē)“超越—榮威”問(wèn)世[N].文匯報(bào),2006-12-14(06).

[9]HWANG J J,WANG D Y,SHIH N C.Development of a lightweight fuel cell vehicle[J].Journal of Power Sources,2005,141:108-115.

[10]廖水容.混合動(dòng)力燃料電池客車(chē)發(fā)展趨勢(shì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,18(1):27-30.

[11]楊妙梁.世界燃料電池車(chē)發(fā)展動(dòng)向(四)—本田實(shí)用化燃料電池車(chē)開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)與配件,2005(6):36-39.

[12]楊妙梁.世界燃料電池車(chē)發(fā)展動(dòng)向(五)—在冰點(diǎn)下工作的本田FCX[J].汽車(chē)與配件,2005(10):34-35.

[13]雅坤.與“氫”一起飛翔MERCEDES-BENZ B-CLASS F-CELL[J].世界汽車(chē),2010(4):28-31.

[14]高嚴(yán).“氫動(dòng)三號(hào)”為實(shí)現(xiàn)成熟燃料電池車(chē)規(guī)模化生產(chǎn)邁進(jìn)一大步[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2003(4):64.

[15]裴藝.燃料電池車(chē)—未來(lái)轎車(chē)中的“寵兒”[J].汽車(chē)與安全,2000,12:24-25.

[16]楊妙梁.燃料電池車(chē)發(fā)展的艱難歷程(三)—通用的研發(fā)體制與福特Focus車(chē)的研發(fā)動(dòng)態(tài)[J].汽車(chē)與配件,2003,28:28-32.

[17]楊武.車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究[D].北京：清華大學(xué),2004.

[18]CHEN L M,LIN Z J,MA Z F.Process modeling of fuel cell vehicle power system[J].Chinese Science Bulletin,2009,54(6):972-977.

[19]田玉冬,朱新堅(jiān),曹廣益.質(zhì)子交換膜燃料電池的建模與控制[J].電池,2004,34(4):301-303.

[20]陳躍華,曹廣益,朱新堅(jiān).質(zhì)子交換膜燃料電池的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模與控制[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(8):207-210.

[21]陳桂蘭，溫旭輝，孫曉.質(zhì)子交換膜燃料電池控制系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù),2004,28(4):195-198.

[22]王平.以車(chē)載儲(chǔ)氫為目標(biāo)的儲(chǔ)氫材料研究進(jìn)展[J].合成化學(xué),2007,15(z1):160.

[23]KATO Y,OTSUKA K,LIU C Y.Carbon dioxide zero-emission hydrogen carrier system for fuel cell vehicle[J].Chemical Engineering Research and Design,2005,83(A7):900-904.

[24]JEON K J, MOON H R, RUMINSKI A M, et al.Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storagewithout using heavy-metal catalysts[J].Nature Materials, 2011,10: 286-290.