燃料電池車發展概況及展望

問朋朋，黃明宇， 倪紅軍， 賈中實

(南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

隨著科學技術的發展，人們的生活水平得到很大提高，但是由于人們過度利用現代交通工具而造成化石能源危機和環境逐步惡化，進而威脅到汽車工業的發展。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境的新能源車受到國際社會的極大關注。燃料電池車是一種新能源車，它具有能量轉化效率高、環境污染小等優點，從而成為汽車工業研發的熱點。本文介紹了燃料電池車的優勢，綜述了國內外燃料電池車的發展概況，側重從質子交換膜燃料電池系統及其控制方面以及車載儲氫技術方面對燃料電池車的發展進行了展望。

1 燃料電池車的優勢

燃料電池車與傳統汽車最大的區別和優勢在于動力系統的不同，前者采用的是燃料電池系統作為動力源，后者采用的是內燃機。與傳統內燃機和普通電池相比，燃料電池直接將化學能轉化為電能，不受卡諾循環的限制，既可像電池一樣安靜、清潔地提供電力，又可像內燃機一樣重新添加燃料。燃料電池由于電解質不同而有各種類型，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，實現了“零排放”，并且具有體積小、可靠性高、工作溫度低等許多優點，被認為是第四代電源技術和汽車內燃機最有希望的替代者，成為解決能源枯竭和環境污染問題的首選汽車動力源。目前，許多發達國家都在投巨資研究和發展PEMFC技術，我國政府也積極支持這方面研究，PEMFC發展前景廣闊，在汽車上的應用已取得了較大的進展：加拿大的Ballard公司制造的燃料電池公共汽車已經投入實際使用，而德國的奔馳汽車公司、日本的本田汽車公司和美國的通用汽車公司也相繼推出了燃料電池樣車，其它一些著名的汽車公司都積極致力于燃料電池汽車的開發研制工作[1-2]。目前世界上燃料電池車還處于試驗階段，還沒有正式大規模投入商業運營。

2 國內外發展概況及展望

2.1 國內發展概況

“十五”期間，我國設立了“863”電動汽車重大專項，把自主研發燃料電池汽車作為重點跨越領域。“十一五”期間，我國制定了《中國至2050年能源科技發展路線圖》，提出了包括氫能利用技術在內的10個重要能源技術方向，針對此技術提出了不同時間節點的科技目標[3]：2010～2020年，燃料電池汽車尚處于研發示范階段與小規模商業化階段，2020年產量將占當年汽車產量的1%，數量為15萬輛；2021～2035年，燃料電池汽車將處于商業化推廣應用階段，2030年產量將占當年汽車產量的5%～8%，數量為百萬輛，總燃料電池汽車保有量達1000萬輛；2036～2050年，燃料電池汽車將處于商業化推廣應用階段，2050年產量將占當年汽車產量的三分之一，數量為千萬輛，總燃料電池汽車保有量達5000萬輛以上。“十二五”規劃提出要培育發展戰略性新興產業，其中就包括新能源汽車產業。此外，2009年元月，我國科技部等四個部門共同啟動了“十城千輛”計劃，提出到2012年力爭使全國新能源汽車的運營規模占到汽車市場份額的10%。

在這些政策的引導下，自2003年以來我國相繼推出四代燃料電池車，它們的主要技術參數見表1[4-8]。

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2004年，我國臺灣明道大學成功研制出一種搭載5 kW質子交換膜燃料電池的輕型燃料電池車“明道氫能車2號(MHV-2)”，該車的主要技術參數見表2[9]。

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

圖1 服務于上海世博會的燃料電池轎車

此外，在國內外著名車展上展出的新能源車，成為燃料電池車發展的一個風向標，代表了國內外現階段燃料電池車的發展狀況，如在第11屆北京車展上展出的長安志翔燃料電池轎車、一汽奔騰“B70FCV”等以及在第63屆法蘭克福車展上展出的奔馳“B-Class F-CELL”和第40屆東京車展上展出的本田“FCX CLARITY”。

2.2 國外發展概況

世界各大汽車制造商普遍認為，近期真正有可能取代傳統汽車的清潔交通工具，只能是FCV。近幾年，PEMFC汽車的發展趨勢超過了蓄電池電動汽車。美國《時代周刊》將燃料電池列為21世紀十大高科技之首，早在2002年出臺的“Freedom CAR”計劃，確定將使用燃料電池作為社會的主要能源，首先在汽車產品上使用[10]。這幾年受金融危機的影響，美國政府的政策有些調整，在這方面速度放緩，但在燃料電池的基礎研究和整車研究方面仍有所重點的繼續開展研究，如美國總統奧巴馬在2011年3月30日表示，從2015年開始，美國聯邦政府將僅采購純電動、混合動力或其他新能源汽車作為政府用車。美國、歐洲和日本的汽車制造商都還在加緊研發燃料電池車，下面主要以本田、奔馳、通用和現代汽車公司研發的燃料電池車為例對國外燃料電池車的發展概況進行闡述。

本田從1999年開始相繼推出六款燃料電池車，它們的主要規格與技術參數見表3[11-12]。

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戴姆勒-奔馳在2005年北美車展上展出一款燃料電池概念車“B-Class F-Cell”，該車一次加氫續駛里程400 km，百公里綜合燃料消耗約合3.3 L柴油；該車設計了性能良好的冷卻系統和溫度管理系統，在冷車啟動或低溫啟動(即使溫度在－25℃的狀態)時，溫度管理系統能夠讓電池組快速達到80℃的最理想工作溫度；當車輛停止后，冷卻系統能夠為電池組立即散熱[13]。此外，奔馳新款B級F-CELL燃料電池車(圖2)亮相2011年上海車展，該車最大功率130馬力，最大扭矩290 N·m，最高時速170 km/h，總的續航里程380公里，每次充滿燃料僅需3 min，已經足夠滿足相鄰兩座城市間的通勤需要；該車主要驅動部件位于三明治車身結構的底部，這種布置不僅可以非常有效地保護驅動系統，而且降低了車身重心，節約了車身空間。

圖2 奔馳新款B級F-CELL燃料電池車

美國GM從1998年開始，相繼推出了三款燃料電池車，它們的主要技術參數見表4[14-16]。

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韓國現代汽車公司于2010年推出第三代燃料電池電動汽車，即“Tucson ix”FCEV，該車設置有100 kW燃料電池系統和2個儲氫罐，可在－25℃啟動，最高車速160 km/h，最大行程650 km。

2.3 發展展望

燃料電池車要實現大規模的商業推廣應用，還需解決很多問題，但隨著電池技術以及相關技術的發展，這些問題終將得到解決，燃料電池車將會很快走向商業應用。下面從質子交換膜燃料電池系統及其控制方面以及車載儲氫技術方面對燃料電池車的發展進行評述。

楊武[17]圍繞影響燃料電池系統效率的幾個主要因素，利用模型仿真技術，研究了提高燃料電池動力系統效率的措施及其效果，這些結論為研發高性能車用燃料電池動力系統指明了方向。CHEN Li-ming等[18]構造了一個PEMFC動力系統的數學模型，在Matlab/Simulink軟件環境下對其進行仿真研究，此研究為燃料電池車動力系統的過程設計提供了理論指導。田玉冬等[19]研究了PEMFC系統建模，闡述了PEMFC建模的發展趨勢，并通過分析PEMFC控制的特點，從工程的角度提出了PEMFC系統控制方案。陳越華等[20]從設計PEMFC控制方案的角度出發，設計了自適應模糊神經網絡控制器，所設計的控制系統適合于控制PEMFC這樣一類復雜非線性系統。陳桂蘭等[21]對PEMFC控制系統進行了研究，經實際應用證明，此控制系統控制穩定、實用性強，可應用于100～5000 W的PEMFC發電系統的實驗研究。

高效、安全的車載儲氫技術的研發是制約氫燃料電池車商業應用的關鍵。在儲氫技術中，液氫、高壓容器以及金屬氫化物儲氫系統均在車上試用或進行銷售。現有儲氫材料技術與車載儲氫應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氫密度仍然是各類儲氫材料研究中面臨的關鍵共性課題[22]。Y.KATO等[23]研究了一種利用化學反應來實現氫的安全供給而不產生二氧化碳的車用載氫系統。Ki-Joon Jeon等[24]研制出一種高效儲氫納米復合材料，它能在常溫下快速吸收和釋放氫氣，這是氫氣儲存和氫燃料電池等領域取得的又一個重大突破。

3 結語

燃料電池車是一種新能源車，它繼承了傳統汽車的許多優良性能，如高速度、加速性能、長距離行駛以及安全舒適等，同時克服了純電動汽車續駛里程短、充電時間長的缺點，而且適應了當今社會可持續發展的要求，從而成為各國研發的熱點。我國對燃料電池車的發展十分重視，從“十五”到“十二五”都制定了相關規劃，在這些政策引導下，我國已研發出四代燃料電池車。美國、歐洲和日本的汽車制造商都在加緊研發燃料電池車，相繼推出了不同類型的燃料電池車。

目前，燃料電池車的成本、低溫啟動、加速性能、最高車速、對國內空氣質量的適應能力以及續駛里程等與傳統汽車相比都存在一定差距，此外還有制氫、儲氫以及加氫等配套基礎設施的構建等，這些問題都是制約燃料電池車走向商業化的關鍵。隨著技術的進步，這些問題會相繼得到解決，如采用非Pt或低Pt催化劑，復合材料雙極板等，雖會降低一些電池性能，但會帶來成本的大大降低；仍采用加注燃油，但通過重整制氫，雖會降低一些效率，但會大大降低污染排放，同時無需另建加氫裝置。這些都是一個很好的發展方向，或許目前也只有這樣燃料電池車才能真正走向商業化。此外，燃料電池車的推廣，除了技術層面外，還需政府繼續給予政策方面的支持等。

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