燃料电池新能源汽车的创新分析及研究

刘政陈

摘 要：我国的汽车工业在近几年的时间内取得飞速发展，但汽车尾气排放对环境造成的污染也十分严重。为减少汽车对环境造成的污染，新能源汽车成为目前汽车行业的主要发展方向，燃料电池就是其中的一种新能源。虽然我国的燃料种类非常丰富，但新能源汽车的研发还处于初始阶段，仍然面临着严峻的考验。本文对燃料电池新能源汽车的优势及缺点进行分析，提出燃料电池新能源汽车的创新发展思路。

关键词：燃料电池;新能源汽车;创新

汽车工业是现代经济中的支柱性产业，不仅深深影响着我国的社会经济，还对世界经济的发展发挥着重要的促进作用。为更好地推动汽车工业发展，新能源汽车已经逐步成为汽车行业未来的主要发展方向。但在推行新能源汽车的过程中，必然会遇到许多问题，这就需要对新能源汽车的发展思路进行创新。

1 新能源汽车的分析

新能源汽车即改变传统动力来源，利用非常规的车用燃料代替常规车用燃料，对动力控制技术、驱动技术等进行创新，使汽车的结构、性能得到优化。新能源汽车有多种类型，每种类型都有自己的优势。常见的有以下几类：

第一，纯电动汽车。清洁型的电动汽车不仅能够减少能源的消耗量，还能降低污染物的排放量。同时，传统汽车在行驶过程中会产生很大的噪音，而纯电动汽车行驶过程中产生的噪音则比较小。从环境的角度出发，纯电动汽车的优势是显而易见的。

第二，混合新型动力汽车。其驱动系统中至少包含两个单独的驱动系统，而这些单个的驱动系统能保持同步运转。根据车辆行驶状态的不同，混合动力汽车的行驶功率也会不同。如果由单独的驱动系统提供动力，则其行驶功率会比较小;如果由多个驱动系统共同提供动力，则汽车的行驶功率会比较大。

第三，燃料电池汽车。将燃料电池电动车用氢气、天然气等作为反应物，利用催化剂使其在电池中与氧气进行燃烧，使燃料转化为电能，为汽车提供动力[1]。与电动汽车相比，燃料电池电动车的性能、设计并没有多大区别，区别在于纯电动车能够通过充电的方式对电能进行补充，燃料电池电动车则需要通过化学反应才能将燃料转化为电能。

第四，增程式电动汽车。此类汽车也是通过电池提供动力，对电机进行驱动，使其运转，从而推动汽车行驶。在车中会配置一个汽油发动机或者柴油发动机。如果在行驶一段时间后电池量过低，通过发动机就能够补充电能，维持汽车运行。

2 燃料电池新能源汽车的分析

从本质上看，原料电池是一种对能量进行转化的装置，燃料电池发电技术是一种新的发电技术。燃料不需要经过燃烧，通过电化学反应，借助催化剂的作用，就能够将燃料转化为电能。由于能量转化过程不会涉及到燃烧，所以“卡诺循环”不会对整个过程产生影响，能量转换效率也比较高，能达到90%，而其使用效率则比一般的内燃机要高很多，可达到其2-3倍。并且，可选择的燃料类型有很多，燃料电池新能源汽车对环境造成的污染比较小，能很好地控制噪音，还具有很強的可靠性[2]。

以氢燃料电池为例，其工作温度为60℃-120℃，其主要的技术方向为质子交换膜燃料电池。电介质隔膜采用聚合物质子交换膜，最常见的是全氟磺酸树脂膜，在分割氢气和氧气的同时，还能传导质子，催化剂则采用铂炭。当电池处于工作状态时，氢气会在电池的阳极进行分解，成为质子和电子，前者会利用隔膜达到阴极，后者则会在外部电路运行过程中产生电能。接着，电子和质子会与氧气发生反应，在阴极生成水。单体电池不需要很高的电压，在0.6-0.75V的范围内就可以发挥作用。因此，需要将多个电池串联起来为汽车提供动力。

3 燃料电池新能源汽车的优势及缺点分析

3.1 燃料电池新能源汽车的优势

燃料电池中有氢气，其与空气中的氧气进行化学反应，就能够产生电能，以驱动电动机，维持汽车的运行。由于此过程涉及到的化学反应为水电解逆反应，所以反应产物除了水只有少量的二氧化碳。与常规汽油机汽车相比，二氧化碳的排放量不到其50%。从世界范围来看，目前采用最多的发电形式是煤电，纯电动汽车需要比较长的充电时间，浪费的电能又比较多。于是，在对纯电动汽车充电时，二氧化碳的排放量会比较大。由此可见，燃料电池新能源汽车的环保性更强，这是其一大优势。

燃料电池中的氢燃料比较多，具有很高的密度。当行驶的里程数相同时，与锂电池相比，氢燃料电池消耗的能量要低得多。氢燃料与空中氧气发生的是静态化学反应，既不会有能量的损耗，又不会产生很大的噪音。并且，锂电池纯电动汽车需要的充电时间会比较长，这会降低汽车的整体行驶效率。燃料电池不用充电，当电池中的燃料减少到一定程度后，在加氢站充入氢气就能继续行驶，注入氢气只要3分钟[3]。所以，燃料电池的能量效率相对比较高，这是燃料电池新能源汽车的另一优势。

3.2 燃料电池新能源汽车的缺点

虽然燃料电池新能源汽车有很多优点，但其在推广过程中之所以困难重重，是因为其同时还存在一些缺点。首先，燃料电池新能源的造价成本更高，这是阻碍新能源汽车发展的主要因素之一。这是因为电池中的燃料在发生化学反应时需要利用铂这一金属作为催化剂，这种金属的成本本身比较高，达到250元/克。假设一辆汽车的功率为150kW，那么其需要的铂催化剂为60g，催化剂的成本就需要15000元。加上其他原材料的成本，此类汽车的总成本就会比较高，售价自然也高。其次，燃料电池的使用寿命不长。金属铂催化剂在使用过程中会逐渐被消耗，所以整个燃料电池的寿命也会逐渐缩短，这会间接地增加燃料电池新能源汽车的成本。再次，缺乏完善的基础设施。众所周知，传统汽车需要加油站、加气站一类的基础设施。那么，要全面推广燃料电池新能源汽车，就必须要全面建设加氢站。从目前的情况来看，美国和日本这方面做得比较好，我国只在北京和上海建设有少量的加氢站。加氢站的建设需要较高的成本，但能够获取的收益并不高，这是因为氢气的生产成本比较高，这是阻碍我国燃料电池新能源汽车推广的另一因素。

4 燃料电池新能源汽车的创新发展思路

4.1 对燃料电池的生产成本进行控制

燃料电池成本过高是燃料电池新能源汽车推广过程中的一大阻碍，要全面推广此类汽车，首先就必须要降低燃料电池成本。一是要降低原材料成本，二是要延长燃料电池的使用寿命，这样才使燃料电池新能源汽车有更好的发展前景。例如，寻找能够代替铂金催化剂的其他催化剂，所选用的催化剂成本相对要比较低，耐用性要比较高。如果能够找到合适的新的催化剂，那么燃料电池的成本自然能得到控制，整车的成本也会降低。在暂时无法寻找到能替代铂催化剂的新催化剂时，研发人员应想法降低铂的使用量，如果能够用混合催化剂，也能在一定程度上降低燃料电池的造价。只要燃料电池的成本能够得到有效控制，那么燃料电池新能源汽车的推广也会容易很多，其发展前景非常广阔[4]。

4.2 建立统一的新能源汽车安全标准

从目前的情况来看，燃料电池新能源汽车的安全标准还没有统一。建设汽车强国是我国的战略目标之一，对于新能源汽车，必须做好示范推广工作，还应加强产业技术储备。推广新能源汽车，一方面是要促进社会经济的发展，另一方面则是要节约能源，减少污染，保护环境。新能源汽车已经被列为“十二五”规划中的战略性新兴产业之一，在政策和资金方面都已经获得政府的一些扶持。但是，燃料电池新能源汽车的销售比率并不高，这主要是因为其价格比较高，安全性和便利性还有很大程度的提升空间，如果这些因素得不到有效改善，就很难提升燃料电池新能源汽车的市场化水平。所以，需要建立统一的安全标准，提高燃料电池新能源汽车的安全性能。例如，明确燃料电池新能源汽车的部件安装要求和防护等级要求;规定燃料加注标准;对储氢容器、过压保护、低压保护、氢气关闭系统、氢气释放/泄露、减压装置的放气等要求作出明确、统一的规定[5]。此外，汽车还应设置相应的氢气浓度探测器联动安全措施，完善动力电路系统安全要求。通过建立统一的新能源汽车安全标准，提升汽车的整体性能，为燃料电池新能源汽车的推广奠定基础。

4.3 加大相关基础设施的建设力度

制约燃料电池新能源汽车推广和发展的因素，除了价格外，还有基础设施的不足。与传统能源汽车相比，新能源汽车的优势是非常明显的，其不仅能使我国能源偏低的问题得到有效缓解，还有助于改善环境。同时，燃料电池新能源汽车的发展可推动汽车工业快速、持续性地发展。所以，需要建立完善的基础设施，为燃料电池新能源汽车的推广提供保障。例如，加速建设加氢站，加大制氢研发力度，降低制氢成本。在各大城市建立相应的充电桩和充电站，扩大这些基础设施的覆盖面，增加建设点。在建设过程中可借鉴美国、日本的一些先进经验，在降低建设成本的同时保障建设质量。也可以根据燃料电池新能源汽车的特点，以及现有汽车基础设施的特点，对其进行改造，使其能满足燃料电池新能源汽车的发展需要。通过一系列的举措，为燃料电池新能源汽车的发展保驾护航。

5 结束语

综上所述，燃料电池新能源汽车具有许多优点，其产生的污染物非常少，能降低对环境的污染，燃料电池能量效率相对比较高，可减少能源消耗量。在对燃料电池新能源汽车进行研发的过程中，应对燃料电池的生产成本进行控制，建立统一的新能源汽车安全标准，加大相关基础设施的建设力度，以促进其推广和发展。

参考文献：

[1]郑振.燃料电池新能源汽车的创新分析及研究[J].汽车实用技术，2019，（17）：30-32.

[2]孙越.我国新能源汽車分类及发展现状浅析[J].汽车实用技术，2020，（4）：13-15.

[3]王骞，李顶根，苗华春.基于模糊逻辑控制的燃料电池汽车能量管理控制策略研究[J].汽车工程，2019，41（12）：1347-1355.

[4]张小兴.新能源汽车特征及核心技术研究[J].时代汽车，2020，（2）：53-54.

[5]金莉娜，陆怡雅，谢婧媛，等.基于GREET模型的新能源汽车全生命周期的环境与经济效益分析[J].资源与产业，2019，21（5）：1-8.