燃料電池新能源汽車的創(chuàng)新分析及研究

劉政陳

摘 要：我國的汽車工業(yè)在近幾年的時間內(nèi)取得飛速發(fā)展，但汽車尾氣排放對環(huán)境造成的污染也十分嚴重。為減少汽車對環(huán)境造成的污染，新能源汽車成為目前汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向，燃料電池就是其中的一種新能源。雖然我國的燃料種類非常豐富，但新能源汽車的研發(fā)還處于初始階段，仍然面臨著嚴峻的考驗。本文對燃料電池新能源汽車的優(yōu)勢及缺點進行分析，提出燃料電池新能源汽車的創(chuàng)新發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：燃料電池;新能源汽車;創(chuàng)新

汽車工業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟中的支柱性產(chǎn)業(yè)，不僅深深影響著我國的社會經(jīng)濟，還對世界經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮著重要的促進作用。為更好地推動汽車工業(yè)發(fā)展，新能源汽車已經(jīng)逐步成為汽車行業(yè)未來的主要發(fā)展方向。但在推行新能源汽車的過程中，必然會遇到許多問題，這就需要對新能源汽車的發(fā)展思路進行創(chuàng)新。

1 新能源汽車的分析

新能源汽車即改變傳統(tǒng)動力來源，利用非常規(guī)的車用燃料代替常規(guī)車用燃料，對動力控制技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)等進行創(chuàng)新，使汽車的結(jié)構(gòu)、性能得到優(yōu)化。新能源汽車有多種類型，每種類型都有自己的優(yōu)勢。常見的有以下幾類：

第一，純電動汽車。清潔型的電動汽車不僅能夠減少能源的消耗量，還能降低污染物的排放量。同時，傳統(tǒng)汽車在行駛過程中會產(chǎn)生很大的噪音，而純電動汽車行駛過程中產(chǎn)生的噪音則比較小。從環(huán)境的角度出發(fā)，純電動汽車的優(yōu)勢是顯而易見的。

第二，混合新型動力汽車。其驅(qū)動系統(tǒng)中至少包含兩個單獨的驅(qū)動系統(tǒng)，而這些單個的驅(qū)動系統(tǒng)能保持同步運轉(zhuǎn)。根據(jù)車輛行駛狀態(tài)的不同，混合動力汽車的行駛功率也會不同。如果由單獨的驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，則其行駛功率會比較小;如果由多個驅(qū)動系統(tǒng)共同提供動力，則汽車的行駛功率會比較大。

第三，燃料電池汽車。將燃料電池電動車用氫氣、天然氣等作為反應(yīng)物，利用催化劑使其在電池中與氧氣進行燃燒，使燃料轉(zhuǎn)化為電能，為汽車提供動力[1]。與電動汽車相比，燃料電池電動車的性能、設(shè)計并沒有多大區(qū)別，區(qū)別在于純電動車能夠通過充電的方式對電能進行補充，燃料電池電動車則需要通過化學(xué)反應(yīng)才能將燃料轉(zhuǎn)化為電能。

第四，增程式電動汽車。此類汽車也是通過電池提供動力，對電機進行驅(qū)動，使其運轉(zhuǎn)，從而推動汽車行駛。在車中會配置一個汽油發(fā)動機或者柴油發(fā)動機。如果在行駛一段時間后電池量過低，通過發(fā)動機就能夠補充電能，維持汽車運行。

2 燃料電池新能源汽車的分析

從本質(zhì)上看，原料電池是一種對能量進行轉(zhuǎn)化的裝置，燃料電池發(fā)電技術(shù)是一種新的發(fā)電技術(shù)。燃料不需要經(jīng)過燃燒，通過電化學(xué)反應(yīng)，借助催化劑的作用，就能夠?qū)⑷剂限D(zhuǎn)化為電能。由于能量轉(zhuǎn)化過程不會涉及到燃燒，所以“卡諾循環(huán)”不會對整個過程產(chǎn)生影響，能量轉(zhuǎn)換效率也比較高，能達到90%，而其使用效率則比一般的內(nèi)燃機要高很多，可達到其2-3倍。并且，可選擇的燃料類型有很多，燃料電池新能源汽車對環(huán)境造成的污染比較小，能很好地控制噪音，還具有很強的可靠性[2]。

以氫燃料電池為例，其工作溫度為60℃-120℃，其主要的技術(shù)方向為質(zhì)子交換膜燃料電池。電介質(zhì)隔膜采用聚合物質(zhì)子交換膜，最常見的是全氟磺酸樹脂膜，在分割氫氣和氧氣的同時，還能傳導(dǎo)質(zhì)子，催化劑則采用鉑炭。當電池處于工作狀態(tài)時，氫氣會在電池的陽極進行分解，成為質(zhì)子和電子，前者會利用隔膜達到陰極，后者則會在外部電路運行過程中產(chǎn)生電能。接著，電子和質(zhì)子會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在陰極生成水。單體電池不需要很高的電壓，在0.6-0.75V的范圍內(nèi)就可以發(fā)揮作用。因此，需要將多個電池串聯(lián)起來為汽車提供動力。

3 燃料電池新能源汽車的優(yōu)勢及缺點分析

3.1 燃料電池新能源汽車的優(yōu)勢

燃料電池中有氫氣，其與空氣中的氧氣進行化學(xué)反應(yīng)，就能夠產(chǎn)生電能，以驅(qū)動電動機，維持汽車的運行。由于此過程涉及到的化學(xué)反應(yīng)為水電解逆反應(yīng)，所以反應(yīng)產(chǎn)物除了水只有少量的二氧化碳。與常規(guī)汽油機汽車相比，二氧化碳的排放量不到其50%。從世界范圍來看，目前采用最多的發(fā)電形式是煤電，純電動汽車需要比較長的充電時間，浪費的電能又比較多。于是，在對純電動汽車充電時，二氧化碳的排放量會比較大。由此可見，燃料電池新能源汽車的環(huán)保性更強，這是其一大優(yōu)勢。

燃料電池中的氫燃料比較多，具有很高的密度。當行駛的里程數(shù)相同時，與鋰電池相比，氫燃料電池消耗的能量要低得多。氫燃料與空中氧氣發(fā)生的是靜態(tài)化學(xué)反應(yīng)，既不會有能量的損耗，又不會產(chǎn)生很大的噪音。并且，鋰電池純電動汽車需要的充電時間會比較長，這會降低汽車的整體行駛效率。燃料電池不用充電，當電池中的燃料減少到一定程度后，在加氫站充入氫氣就能繼續(xù)行駛，注入氫氣只要3分鐘[3]。所以，燃料電池的能量效率相對比較高，這是燃料電池新能源汽車的另一優(yōu)勢。

3.2 燃料電池新能源汽車的缺點

雖然燃料電池新能源汽車有很多優(yōu)點，但其在推廣過程中之所以困難重重，是因為其同時還存在一些缺點。首先，燃料電池新能源的造價成本更高，這是阻礙新能源汽車發(fā)展的主要因素之一。這是因為電池中的燃料在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時需要利用鉑這一金屬作為催化劑，這種金屬的成本本身比較高，達到250元/克。假設(shè)一輛汽車的功率為150kW，那么其需要的鉑催化劑為60g，催化劑的成本就需要15000元。加上其他原材料的成本，此類汽車的總成本就會比較高，售價自然也高。其次，燃料電池的使用壽命不長。金屬鉑催化劑在使用過程中會逐漸被消耗，所以整個燃料電池的壽命也會逐漸縮短，這會間接地增加燃料電池新能源汽車的成本。再次，缺乏完善的基礎(chǔ)設(shè)施。眾所周知，傳統(tǒng)汽車需要加油站、加氣站一類的基礎(chǔ)設(shè)施。那么，要全面推廣燃料電池新能源汽車，就必須要全面建設(shè)加氫站。從目前的情況來看，美國和日本這方面做得比較好，我國只在北京和上海建設(shè)有少量的加氫站。加氫站的建設(shè)需要較高的成本，但能夠獲取的收益并不高，這是因為氫氣的生產(chǎn)成本比較高，這是阻礙我國燃料電池新能源汽車推廣的另一因素。

4 燃料電池新能源汽車的創(chuàng)新發(fā)展思路

4.1 對燃料電池的生產(chǎn)成本進行控制

燃料電池成本過高是燃料電池新能源汽車推廣過程中的一大阻礙，要全面推廣此類汽車，首先就必須要降低燃料電池成本。一是要降低原材料成本，二是要延長燃料電池的使用壽命，這樣才使燃料電池新能源汽車有更好的發(fā)展前景。例如，尋找能夠代替鉑金催化劑的其他催化劑，所選用的催化劑成本相對要比較低，耐用性要比較高。如果能夠找到合適的新的催化劑，那么燃料電池的成本自然能得到控制，整車的成本也會降低。在暫時無法尋找到能替代鉑催化劑的新催化劑時，研發(fā)人員應(yīng)想法降低鉑的使用量，如果能夠用混合催化劑，也能在一定程度上降低燃料電池的造價。只要燃料電池的成本能夠得到有效控制，那么燃料電池新能源汽車的推廣也會容易很多，其發(fā)展前景非常廣闊[4]。

4.2 建立統(tǒng)一的新能源汽車安全標準

從目前的情況來看，燃料電池新能源汽車的安全標準還沒有統(tǒng)一。建設(shè)汽車強國是我國的戰(zhàn)略目標之一，對于新能源汽車，必須做好示范推廣工作，還應(yīng)加強產(chǎn)業(yè)技術(shù)儲備。推廣新能源汽車，一方面是要促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，另一方面則是要節(jié)約能源，減少污染，保護環(huán)境。新能源汽車已經(jīng)被列為“十二五”規(guī)劃中的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，在政策和資金方面都已經(jīng)獲得政府的一些扶持。但是，燃料電池新能源汽車的銷售比率并不高，這主要是因為其價格比較高，安全性和便利性還有很大程度的提升空間，如果這些因素得不到有效改善，就很難提升燃料電池新能源汽車的市場化水平。所以，需要建立統(tǒng)一的安全標準，提高燃料電池新能源汽車的安全性能。例如，明確燃料電池新能源汽車的部件安裝要求和防護等級要求;規(guī)定燃料加注標準;對儲氫容器、過壓保護、低壓保護、氫氣關(guān)閉系統(tǒng)、氫氣釋放/泄露、減壓裝置的放氣等要求作出明確、統(tǒng)一的規(guī)定[5]。此外，汽車還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的氫氣濃度探測器聯(lián)動安全措施，完善動力電路系統(tǒng)安全要求。通過建立統(tǒng)一的新能源汽車安全標準，提升汽車的整體性能，為燃料電池新能源汽車的推廣奠定基礎(chǔ)。

4.3 加大相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度

制約燃料電池新能源汽車推廣和發(fā)展的因素，除了價格外，還有基礎(chǔ)設(shè)施的不足。與傳統(tǒng)能源汽車相比，新能源汽車的優(yōu)勢是非常明顯的，其不僅能使我國能源偏低的問題得到有效緩解，還有助于改善環(huán)境。同時，燃料電池新能源汽車的發(fā)展可推動汽車工業(yè)快速、持續(xù)性地發(fā)展。所以，需要建立完善的基礎(chǔ)設(shè)施，為燃料電池新能源汽車的推廣提供保障。例如，加速建設(shè)加氫站，加大制氫研發(fā)力度，降低制氫成本。在各大城市建立相應(yīng)的充電樁和充電站，擴大這些基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋面，增加建設(shè)點。在建設(shè)過程中可借鑒美國、日本的一些先進經(jīng)驗，在降低建設(shè)成本的同時保障建設(shè)質(zhì)量。也可以根據(jù)燃料電池新能源汽車的特點，以及現(xiàn)有汽車基礎(chǔ)設(shè)施的特點，對其進行改造，使其能滿足燃料電池新能源汽車的發(fā)展需要。通過一系列的舉措，為燃料電池新能源汽車的發(fā)展保駕護航。

5 結(jié)束語

綜上所述，燃料電池新能源汽車具有許多優(yōu)點，其產(chǎn)生的污染物非常少，能降低對環(huán)境的污染，燃料電池能量效率相對比較高，可減少能源消耗量。在對燃料電池新能源汽車進行研發(fā)的過程中，應(yīng)對燃料電池的生產(chǎn)成本進行控制，建立統(tǒng)一的新能源汽車安全標準，加大相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度，以促進其推廣和發(fā)展。

參考文獻：

[1]鄭振.燃料電池新能源汽車的創(chuàng)新分析及研究[J].汽車實用技術(shù)，2019，（17）：30-32.

[2]孫越.我國新能源汽車分類及發(fā)展現(xiàn)狀淺析[J].汽車實用技術(shù)，2020，（4）：13-15.

[3]王騫，李頂根，苗華春.基于模糊邏輯控制的燃料電池汽車能量管理控制策略研究[J].汽車工程，2019，41（12）：1347-1355.

[4]張小興.新能源汽車特征及核心技術(shù)研究[J].時代汽車，2020，（2）：53-54.

[5]金莉娜，陸怡雅，謝婧媛，等.基于GREET模型的新能源汽車全生命周期的環(huán)境與經(jīng)濟效益分析[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2019，21（5）：1-8.