燃料电池车发展概况及展望

问朋朋，黄明宇， 倪红军， 贾中实

(南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

随着科学技术的发展，人们的生活水平得到很大提高，但是由于人们过度利用现代交通工具而造成化石能源危机和环境逐步恶化，进而威胁到汽车工业的发展。基于此种情形，寻求一种既能利用可再生能源而又不污染环境的新能源车受到国际社会的极大关注。燃料电池车是一种新能源车，它具有能量转化效率高、环境污染小等优点，从而成为汽车工业研发的热点。本文介绍了燃料电池车的优势，综述了国内外燃料电池车的发展概况，侧重从质子交换膜燃料电池系统及其控制方面以及车载储氢技术方面对燃料电池车的发展进行了展望。

1 燃料电池车的优势

燃料电池车与传统汽车最大的区别和优势在于动力系统的不同，前者采用的是燃料电池系统作为动力源，后者采用的是内燃机。与传统内燃机和普通电池相比，燃料电池直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，既可像电池一样安静、清洁地提供电力，又可像内燃机一样重新添加燃料。燃料电池由于电解质不同而有各种类型，其中PEMFC是目前世界上最成熟的一种将可再生能源资源氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术，实现了“零排放”，并且具有体积小、可靠性高、工作温度低等许多优点，被认为是第四代电源技术和汽车内燃机最有希望的替代者，成为解决能源枯竭和环境污染问题的首选汽车动力源。目前，许多发达国家都在投巨资研究和发展PEMFC技术，我国政府也积极支持这方面研究，PEMFC发展前景广阔，在汽车上的应用已取得了较大的进展：加拿大的Ballard公司制造的燃料电池公共汽车已经投入实际使用，而德国的奔驰汽车公司、日本的本田汽车公司和美国的通用汽车公司也相继推出了燃料电池样车，其它一些著名的汽车公司都积极致力于燃料电池汽车的开发研制工作[1-2]。目前世界上燃料电池车还处于试验阶段，还没有正式大规模投入商业运营。

2 国内外发展概况及展望

2.1 国内发展概况

“十五”期间，我国设立了“863”电动汽车重大专项，把自主研发燃料电池汽车作为重点跨越领域。“十一五”期间，我国制定了《中国至2050年能源科技发展路线图》，提出了包括氢能利用技术在内的10个重要能源技术方向，针对此技术提出了不同时间节点的科技目标[3]：2010～2020年，燃料电池汽车尚处于研发示范阶段与小规模商业化阶段，2020年产量将占当年汽车产量的1%，数量为15万辆；2021～2035年，燃料电池汽车将处于商业化推广应用阶段，2030年产量将占当年汽车产量的5%～8%，数量为百万辆，总燃料电池汽车保有量达1000万辆；2036～2050年，燃料电池汽车将处于商业化推广应用阶段，2050年产量将占当年汽车产量的三分之一，数量为千万辆，总燃料电池汽车保有量达5000万辆以上。“十二五”规划提出要培育发展战略性新兴产业，其中就包括新能源汽车产业。此外，2009年元月，我国科技部等四个部门共同启动了“十城千辆”计划，提出到2012年力争使全国新能源汽车的运营规模占到汽车市场份额的10%。

在这些政策的引导下，自2003年以来我国相继推出四代燃料电池车，它们的主要技术参数见表1[4-8]。

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2004年，我国台湾明道大学成功研制出一种搭载5 kW质子交换膜燃料电池的轻型燃料电池车“明道氢能车2号(MHV-2)”，该车的主要技术参数见表2[9]。

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2008年北京奥运会期间，有3辆燃料电池客车和20辆燃料电池轿车为奥运服务；2010年上海世博会期间，有196辆燃料电池汽车为世博服务，其中包括90辆燃料电池轿车(如图1)、6辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车。

图1 服务于上海世博会的燃料电池轿车

此外，在国内外著名车展上展出的新能源车，成为燃料电池车发展的一个风向标，代表了国内外现阶段燃料电池车的发展状况，如在第11届北京车展上展出的长安志翔燃料电池轿车、一汽奔腾“B70FCV”等以及在第63届法兰克福车展上展出的奔驰“B-Class F-CELL”和第40届东京车展上展出的本田“FCX CLARITY”。

2.2 国外发展概况

世界各大汽车制造商普遍认为，近期真正有可能取代传统汽车的清洁交通工具，只能是FCV。近几年，PEMFC汽车的发展趋势超过了蓄电池电动汽车。美国《时代周刊》将燃料电池列为21世纪十大高科技之首，早在2002年出台的“Freedom CAR”计划，确定将使用燃料电池作为社会的主要能源，首先在汽车产品上使用[10]。这几年受金融危机的影响，美国政府的政策有些调整，在这方面速度放缓，但在燃料电池的基础研究和整车研究方面仍有所重点的继续开展研究，如美国总统奥巴马在2011年3月30日表示，从2015年开始，美国联邦政府将仅采购纯电动、混合动力或其他新能源汽车作为政府用车。美国、欧洲和日本的汽车制造商都还在加紧研发燃料电池车，下面主要以本田、奔驰、通用和现代汽车公司研发的燃料电池车为例对国外燃料电池车的发展概况进行阐述。

本田从1999年开始相继推出六款燃料电池车，它们的主要规格与技术参数见表3[11-12]。

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戴姆勒-奔驰在2005年北美车展上展出一款燃料电池概念车“B-Class F-Cell”，该车一次加氢续驶里程400 km，百公里综合燃料消耗约合3.3 L柴油；该车设计了性能良好的冷却系统和温度管理系统，在冷车启动或低温启动(即使温度在－25℃的状态)时，温度管理系统能够让电池组快速达到80℃的最理想工作温度；当车辆停止后，冷却系统能够为电池组立即散热[13]。此外，奔驰新款B级F-CELL燃料电池车(图2)亮相2011年上海车展，该车最大功率130马力，最大扭矩290 N·m，最高时速170 km/h，总的续航里程380公里，每次充满燃料仅需3 min，已经足够满足相邻两座城市间的通勤需要；该车主要驱动部件位于三明治车身结构的底部，这种布置不仅可以非常有效地保护驱动系统，而且降低了车身重心，节约了车身空间。

图2 奔驰新款B级F-CELL燃料电池车

美国GM从1998年开始，相继推出了三款燃料电池车，它们的主要技术参数见表4[14-16]。

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韩国现代汽车公司于2010年推出第三代燃料电池电动汽车，即“Tucson ix”FCEV，该车设置有100 kW燃料电池系统和2个储氢罐，可在－25℃启动，最高车速160 km/h，最大行程650 km。

2.3 发展展望

燃料电池车要实现大规模的商业推广应用，还需解决很多问题，但随着电池技术以及相关技术的发展，这些问题终将得到解决，燃料电池车将会很快走向商业应用。下面从质子交换膜燃料电池系统及其控制方面以及车载储氢技术方面对燃料电池车的发展进行评述。

杨武[17]围绕影响燃料电池系统效率的几个主要因素，利用模型仿真技术，研究了提高燃料电池动力系统效率的措施及其效果，这些结论为研发高性能车用燃料电池动力系统指明了方向。CHEN Li-ming等[18]构造了一个PEMFC动力系统的数学模型，在Matlab/Simulink软件环境下对其进行仿真研究，此研究为燃料电池车动力系统的过程设计提供了理论指导。田玉冬等[19]研究了PEMFC系统建模，阐述了PEMFC建模的发展趋势，并通过分析PEMFC控制的特点，从工程的角度提出了PEMFC系统控制方案。陈越华等[20]从设计PEMFC控制方案的角度出发，设计了自适应模糊神经网络控制器，所设计的控制系统适合于控制PEMFC这样一类复杂非线性系统。陈桂兰等[21]对PEMFC控制系统进行了研究，经实际应用证明，此控制系统控制稳定、实用性强，可应用于100～5000 W的PEMFC发电系统的实验研究。

高效、安全的车载储氢技术的研发是制约氢燃料电池车商业应用的关键。在储氢技术中，液氢、高压容器以及金属氢化物储氢系统均在车上试用或进行销售。现有储氢材料技术与车载储氢应用需求之间的差距还比较大，在温和操作温度下难于获取高的储氢密度仍然是各类储氢材料研究中面临的关键共性课题[22]。Y.KATO等[23]研究了一种利用化学反应来实现氢的安全供给而不产生二氧化碳的车用载氢系统。Ki-Joon Jeon等[24]研制出一种高效储氢纳米复合材料，它能在常温下快速吸收和释放氢气，这是氢气储存和氢燃料电池等领域取得的又一个重大突破。

3 结语

燃料电池车是一种新能源车，它继承了传统汽车的许多优良性能，如高速度、加速性能、长距离行驶以及安全舒适等，同时克服了纯电动汽车续驶里程短、充电时间长的缺点，而且适应了当今社会可持续发展的要求，从而成为各国研发的热点。我国对燃料电池车的发展十分重视，从“十五”到“十二五”都制定了相关规划，在这些政策引导下，我国已研发出四代燃料电池车。美国、欧洲和日本的汽车制造商都在加紧研发燃料电池车，相继推出了不同类型的燃料电池车。

目前，燃料电池车的成本、低温启动、加速性能、最高车速、对国内空气质量的适应能力以及续驶里程等与传统汽车相比都存在一定差距，此外还有制氢、储氢以及加氢等配套基础设施的构建等，这些问题都是制约燃料电池车走向商业化的关键。随着技术的进步，这些问题会相继得到解决，如采用非Pt或低Pt催化剂，复合材料双极板等，虽会降低一些电池性能，但会带来成本的大大降低；仍采用加注燃油，但通过重整制氢，虽会降低一些效率，但会大大降低污染排放，同时无需另建加氢装置。这些都是一个很好的发展方向，或许目前也只有这样燃料电池车才能真正走向商业化。此外，燃料电池车的推广，除了技术层面外，还需政府继续给予政策方面的支持等。

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