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燃料电池汽车发展 - 电动汽车新技术论文

发布时间：2012-03-09 14:58:14 来源：文档文库

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燃料电池汽车技术及其发展概况

摘要：

随着世界经济与人口的快速增长，人们对石油等资源的需求越来越大。传统的化石燃料正面临枯竭的危险，同时，石油等资源的利用也不可避免的带来环境的污染，为了给子孙后代的创造可持续的发展环境，我们急需发展一种全新的“清洁”汽车。燃料电池汽车作为一种理想的传统汽车替代方案有着其固有的优势，本文将以典型的燃料电池汽车为例，阐述燃料电池汽车的主要结构，技术特点。并将对燃料电池汽车的发展进行概括。

关键词：燃料电池汽车，可再生能源，发展概况

一：燃料电池概述：

燃料电池（Fuel cell），是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，最早由英国物理学家威廉·格鲁夫爵士发明，由于燃料电池具有质量能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等优点，燃料电池获得了较快的发展。

1) 工作原理：

燃料电池严格意义上讲只是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同，但是工作方式与普通的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持续的供给，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过改变化学反应的条件来改变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为温和，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%【1】，远高于内燃机的30%~40%）的内燃机。下面简单介绍一下氢—氧燃料电池的工作原理。

图1-1

由图1-1可知：燃料（氢气）进入气体通道到达阳极（Anode），在铂催化剂的作用下，发生阳极反应：

然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）。同时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+在催化剂作用下发生阴极反应：

反应过程结束，产生电能以及副产物水。

图1-2

2）特点

燃料电池的诸多优点使得其在汽车上有广泛的应用前景，燃料电池有很多的优点：

1.燃料电池的能量转换效率高。

由于燃料电池采用电化学反应，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100%（但由于电化学反应也不可避免的要生成热量，实际效率一般为60%~80%），使用效率更可达普通内燃机的2－3倍。

2.真正清洁无污染

由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能(蓄电池)方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。如果氢是通过可再生能源产生的，那么就可以做到真正的清洁无污染。

虽然蓄电池工作过程中也不产生环境污染，但是蓄电池的制造过程一般会对环境造成较大的负面，例如市面上采用最为广泛的聚合物锂离子电池、镍氢蓄电池等可充电电池，在生产时要用到镍、锂等难炼制金属，而且镍、锂矿的开采以及镍、锂（锂是极活泼元素）的提取需要耗费巨大的资源，间接造成了环境的污染。
　3.安静无噪声
　燃料电池运行安静,没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人们正常交谈的水平。

4．能量密度高，功率输出平稳

通过改变燃料电池的反应条件，甚至可以瞬时将输出功率提高到额定功率的200%。

5.燃料补充方便：

可以以氢气、甲醇、天然气等作为资源，可以方便的利用现成的加油站系统改造燃料电池汽车所需的加氢站，加气站。

3）存在的问题：

虽然燃料电池系统有很多的优点，仍然存在不少不足。最主要的问题就是过高的成本，由于燃料电池需要用昂贵的铂催化剂，造成燃料电池的成本一直居高不下，虽然最近几年随着国际社会加大了对燃料电池的开发力度，使得成本有所下降，但是较高的成本依然是燃料电池技术广泛普及的最大障碍。其次，燃料电池的燃料-氢气的储藏与制备技术仍不成熟。大规模的制造氢气仍然一定的问题。

4）与普通蓄电池的区别

1.燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置（严格意义上讲燃料电池不是电池，只是一个能量生成装置）。但燃料电池在产生电能时，参加电化学反应的燃料在经过反应后，被不断地消耗且生成不可重新利用的反应物。因此，燃料电池需要不断地输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，但是燃料电池不可以充电。

2.普通蓄电池是一种能量储存装置，只存储电能，不产生电能。蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电反复进行可逆性化学变化，活性物质一般不会产生消耗。普通蓄电池的技术性能确定后，必须先充电，将电能储存到电池中，才能在工作时输出电能，而且在电能消耗完后，必须在重复充电后才可能重复使用，其放电特性是循环进行的，而且使用寿命一般与燃料电池相比较短。

二.燃料电池汽车结构与特点

燃料电池汽车按燃料种类可分为：1.以纯氢气为燃料的燃料电池汽车2.以、天然气，汽油等富含氢原子的烃类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池汽车。

按电源系统的配置不同，可分为：1.燃料电池直接驱动型2.燃料电池与蓄电池混合电源型。3.燃料电池与超级电容器混合电源型。4.燃料电池与蓄电池及超级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽车一般均使用第2，3，4三种能量供应方式。本文下面将以Honda FCX Clarity为例（采用燃料电池与辅助电池作为车辆能源）简要介绍燃料电动汽车结构。

2007年，本田（Honda）发布了其旗下的首款市场化的氢氧燃料电池汽车-Honda FCX Clarity,一款真正体现了绿色、节能与环保的汽车。2010年本田发布了其旗下的新一代FCX Clarity，但考虑到昂贵的价格以及燃料供应的问题，FCX现在只在日本以及美国的少数地区租赁销售。FCX在租赁期间，包括保养费及保险费在内的租金将是三年每月600美元。

2010年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料电池技术，以及整车的细节设计上都有了较大的改进。

图1-1：2010 Honda FCX Clarity

FCX Clarity采用氢气作为车辆燃料电池的能源，从图2-1可以看到，Honda FCX

Clarity可以通过加氢站向车辆添加燃料，具Honda官方数据，Honda FCX Clarity在一次加满燃料时，可以连续行驶570Km，最高时速更是达到了160Km/h。【2】远非一般的电动汽车可比，普通的蓄电池电动汽车由于受制于电池本身结构的限制，存储的能量有限，严重限制了电动汽车的续航里程，现在市售的典型纯电动汽车，如2011年10月26日，在深圳正式上市的定名为e6先行者（图1-3）的比亚迪纯电动车，售价达36.98万，一次充满电后最多仅可以一次行驶300多公里。最高时速也仅仅可以达到140Km/h.仅仅从技术指标来看，燃料电池汽车具有一般电动汽车无法比拟的优势。

图2-2

图2-3比亚迪e6

1) 车辆概况

Honda采用了新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，采用了新一代的电动机系统，而且全车使用的多种新一代环保技术，如内饰的采用世界首创植物型新材料“Honda生物纤维”。使得FCX Clarity真正成为一辆绿色、环保的车辆。Honda FCX Clarity的技术指标十分先进，图2-4展现了Honda FCX Clarity的主要技术规格。

图2-4Honda FCX Clarity技术规格

Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元（Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），电动机（Electric Motor）,燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的电池（High-Output Battery）等五部分组成。

图2-5Honda FCX Clarity的剖视图

2) 小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”

Honda FCX Clarity采用了Honda新开发的新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，采用金属冲压隔片构造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的复杂结构，将所用的部件数量减少为原来的1/2，功率密度却提高了两倍以上，达到了世界一流的高性能水平【3】。同时，由于采用了新开发的芳香型电解质膜，大大提高了电池系统的可靠性与耐用度。Honda同时采用了Honda独创的氢气和空气竖直流动的“V Flow电池单元构造”，并且采用使氢气和空气波状流动的“波状隔板”，和上一代产品相比相比，性能有了飞跃性提高，并实现了轻质化和小型化。新型燃料电池堆的最高功率提升至100kW，与上一代燃料电池堆相比，体积功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低温启动性能的提升使得燃料电池可以在零下30摄氏度的环境下正常工作。

1. 全新的电池堆结构

Honda FCX Clarity采用全新的氢气与废水呈垂直方向流动的电池堆结构，使得V型平台电池堆的外形更加紧凑，相比传统的水平放置的电池堆结构（氢气与氧气同废水呈水平流动），可以有效降低汽车的整体高度，有利于车辆的紧凑化与小型化。

2.V Flow单元结构

图2-6 Honda FCX Clarity的燃料电池组

V Flow单元结构展现了Honda革命性的设计，它通过是氢气与氧气纵向流动，使得生成的水可以在重力的作用下稳定而且顺畅的排出，并由此可以防止生成的水停留在发电层面上，以确保发电的持续稳定性。另外，纵向的气体流动通道可以使得氢气与氧气的流通更加顺畅，从而是流动通道深度减少17%，使电池的单元结构更薄,电池堆体积更小。。

2. Wave通道隔离板

Honda创新设计的Wave隔板（图2-7）使得氢气与空气的流动通道呈Wave型（波浪形状），冷却介质则沿着横向流动，采用Wave隔板设计气体流动通道与以往采用直线通道设计的电池组相比，延长了近一米的长度【4】，而且可以改变氢气与氧气的流动方向，提高空气与氢气的扩散性。同时，冷却介质的横向布置可以扩大

图2-7 Wave通道隔离板

氢气与空气的通道，最终使得发电能力比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外，冷却介质的横向流动还保持了良好的冷却效果，避免了以往电池单元之间所必须的冷却层，大大减轻了电池的重量（可减轻近30%，积层长度缩短30%）【5】，达到了极佳的小型化效果。

3）新型永磁电机

FCX Clarity采用全新的功率达100kW的新型永磁同步电机（图2-8），与上一代相比，整体动力单元的重量功率密度提高1倍，体积功率密度提高1.2倍，实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20%，续航里程提高30%。图2-8 Honda FCX Clarity永磁同步电动机

1.永磁电机结构特点

本田FCX所使用的电动机是一款永磁同步电动机，其与普通的电动机相比，永磁同步电动机装有转自永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机驱动控制的目的。

永磁同步电机相比于其它电动机的优势则主要表现在因为永磁体取代了绕组，所以结构更加简单且可靠；因为电机转速与电源频率保持同步关系，所以通过控制电源就可以控制电动机转速。再加上体积小、质量小并且结构坚固等特点，以及相对而言较低的成本，使得永磁同步电机十分适合在电动汽车上应用。

同时，永磁电机由于永磁体无需电流励磁，转子没有损耗，提高了电机效率；同时因取消了滑环和电刷，简化了转子结构，提高了电机的可靠性。但电机必须由变频器供电加上转子位置检测闭环控制系统才能运行。

当反电势和供电电流的波形都是正弦波时，称为永磁同步电动机(PMSM)，它与电励磁同步电动机有相似的内部电磁关系。当反电势和供电电流的波形都是矩形波时，称为矩形波永磁同步电动机，其内部的电磁过程和直流电动机类似，因此又称为无刷直流电动机（BLDC）。

图2-9【6】永磁同步电机与异步电机性能比较

从图2-9分析可得相同功率下，永磁同步电机的效率明显高于异步电机，而润滑油脂的数量使用的也较异步电机小。

4)高性能锂离子电池

Honda FCX Clarity氢氧燃料电池汽车采用了一块高性能的聚合物锂离子电池作为汽车的辅助能源（工作电压为288伏的锂离子电池）。Honda FCX Clarity采用了可插电的设计，可以允许在车辆不用时通过普通的家用电源对锂离子电池进行充电。

Honda FCX Clarity允许车辆在低速时只依靠锂离子电池行驶，并且，可以通过刹车能量回收系统（可以将刹车时损失的部分动能转变成为电能）为锂离子电池进行再充电。同时，锂离子电池还可以为车辆的车辆电子系统提供电力。

5）燃料存储装置

HondaFCX Clarity采用高压氢气作为车辆的燃料，由于要存储大量的氢气以满足长距离行驶的燃料要求，HondaFCX Clarity采用容积为171L的高压气罐作为燃料存储装置，高压气罐可以承受的最高压力为350ATM，因此可以在有限的体积内存储尽量多的氢气。

综上所述，一般的燃料电池汽车主要由电动机系统，燃料电池系统以及燃料存储装置和传统的机械结构组成，其中燃料电池系统，燃料存储系统以及电机系统是车辆的核心。电机用于为车辆提供动力，燃料电池可以为车辆提供动力，储气罐为燃料电池提供能源，蓄电池或者超级电容作为电动机与燃料电池之间的能量缓冲装置，更有利于提高车辆的能量利用效率。

毫无疑问，燃料电池汽车与传统汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车相比拥有很多优势。

1.清洁无污染。燃料电池汽车的运行过程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意义上的“清洁汽车”。

2.燃料补充方便，快捷，续航力远超普通纯电动汽车。纯电动汽车充电时间较长，一次充电完成需要7~8小时，而且充满电后续航里程较短，常常不超过300km。而燃料电池汽车可以像传统的汽油汽车一样方便的补充燃料，而且充满燃料后一般的续航里程可达到400km以上，甚至超过了很多的传统的使用汽油的车辆。

3.效能高。燃料电池汽车有极高的能源利用效率。由于燃料电池本事就是一种效率极高的能量生成装置，加上车辆合理的设计（如再生制动系统的使用，辅助电池的应用），使得燃料电池汽车具有极高的能源利用效率。

4.动力性能优异。燃料电池可以持续稳定的输出电力，加上高性能电机的应用，使得燃料电池汽车具有极佳的动力性能。以奔驰B级紧凑型轿车F-Cell燃料电池型为例，其采用的同步电机最大输出功率可达100千瓦，峰值扭矩可达290牛米。动力系统的性能远超普通的2.0L自然吸气式汽油发动机，并且拥有良好的燃油经济性，其燃料消耗仅仅相当于每百公里耗油3.3升（价格上）。最高时速可达170公里/小时，仅比采用自然吸气引擎的奔驰B200低了26公里/小时。

三．燃料电池汽车发展概况

日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到 5万辆；2020年达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在 5 年内斥资 2090 亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技【7】。

2009年，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。

2008年，欧盟决定斥资１０亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。

中国政府大力支持燃料电池汽车以及纯电动汽车的研发与市场推广，2010年上海世博会期间，世博园区投入了196辆燃料电池公交车，取得了良好的运行效果。

1）各大汽车厂商的参与

虽然各国政府对燃料电池汽车的热情不尽相同，但是世界各大汽车厂商推入了巨大的热情进行了燃料电池车辆方面的研究，有很多已经开发出了实用化的燃料电池汽车。其中，戴姆勒—奔驰、福特汽车、通用汽车、本田、雷诺、日产和丰田汽车均已走在了世界的前列。

1.德国戴姆勒—奔驰公司——奔驰B 级F—CELL

奔驰B级F-CELL以奔驰 B车为基础，搭载氢燃料电池驱动系统，只需加注氢燃料，可以通过车内燃料电池装置迅速将燃料转化成电能，加满氢燃料的过程仅需 3 分钟。设计师把它的氢燃料罐和燃料电池设计成独特的夹层结构，可以大大提高车辆的可用空间。该车一次加满燃料的续航能力达 400 公里。

2.丰田——Mark X Zio氢燃料电池车

丰田汽车曾宣布与美国萨凡纳河国家实验室（SRNL： Savannah River National Laboratory）以及可再生能源实验室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）共同实施了燃料电池车“Highlander FCHV-adv”的公路实验。实验结果表明，该车的续航距离可达到 693km。该车充满燃料可行驶 780 公里，燃料效率是传统汽油车的 3 倍，它的最高时速可达 160 公里/小时，百公里加速为 7 秒。计划将于2015年上市。

3.本田——本田FCX Clarity燃料电池车

最早商品化的燃料电池车 FCX Clarity。全新一代的燃料电池汽车 FCX Clarity 以本田独创的燃料电池堆“V Flow FC Stack”技术为核心。同时外观上实现了燃料电池车所特有的抢眼设计，划时代的外观线条。以及超凡的驾驭感觉。不仅实现了车辆清洁性，而且还赋予了燃料电池车独特的新价值和新魅力。

4.马自达——氢燃料混合动力车马自达RX-8 Hydrogen RE

马自达一直在进行燃料电池开发计划。近期，马自达开发出以氢气为燃料的内燃机，绕开高成本的燃料电池同样实现零排放的最终目标。但是续驶里程过短和氢气成本高的阴影仍然笼罩在氢发动机汽车之上。但是该型车通过氢燃料和汽油混用可行驶约 600 公里。

5.大众——帕萨特领驭氢燃料电池车

该车采用氢燃料电池发动机，能量转换效率高达 80%，是普通内燃机的 3 倍。

6.通用汽车——凯迪拉克Provoq概念车

这款车搭载最新 e-flex 氢燃料电池驱动系统该车一次续航里程可达 483公里，百公里加速仅为 8.5 秒。

2）燃料电池汽车推广存在的问题

燃料电池汽车虽然较传统的汽油汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车有技术上的优势，但是却一时难以普及，原因是多方面的。

1.燃料电池的成本过高。燃料电池的成本过高是制约燃料电池汽车发展的最大阻碍，早期由于燃料电池采用贵重的铂金属催化剂，使得成本居高不下，虽然近几年通过世界各地科研人员的不懈努力，已经开发出了新型的无铂催化剂，使得电池成本有了明显的降低，但是仍然没有降到可以进行大规模普及的程度。以奔驰B级燃料电池汽车为例，奔驰B级燃料电池汽车的售价为5万美元，约33万人民币，而同时期的奔驰B级汽车的售价却只有约22万人民币（以上均指美国售价）。燃料电池型号贵了近11万人民币。另外计划于2015年上市的丰田Mark X Zio燃料电池汽车售价预计为980万日元（约80万人民币）。远高于普通汽油汽车售价。高昂的成本成为制约燃料电池汽车发展的一大难题。

2．配套设施建设成本较大。目前最方便的加氢站建设方案就是在传统加油站的基础上进行改造。以美国为例，如果将全美的加油站全部改造成加氢站，将至少花费15亿美元（约95亿人民币），这笔钱并不算少。

3.氢气制取存在困难。现在仍然不能以较低成本的大量制取氢气，现在主要通过煤炭与水的反应、天然气重整以及电解水等方式生产氢气。这些方法无一例外的存在成本较高的缺点。

四．结语

燃料电池汽车凭借其独特的技术优势。在不久的将来极有可能替代传统的内燃机车辆，混合动力汽车甚至是纯电动汽车，成为我们日常生活必不可少的一部分。但从目前情况看，燃料电池汽车如果想要在产业化发展方面取得突破，还需要着力解决辅助设施建设和成本过高这两个方面的问题。首先，在辅助设施建设上还需要加快燃料电池汽车所需的加气站的建设。同时改善氢气的制取工艺，设法降低氢气的制取、运输、存储成本。另一方面方面。燃料电池极高的成本极大的限制了燃料电池汽车的发展与应用，能否降低燃料电池的生产成本将极大的影响燃料电池汽车及燃料电池技术的普及。但我相信在全世界各地科研人员的努力下，必将攻克燃料电池成本过高的技术难关。