燃料电池汽车产业的新能源发展战略研究5611.doc

燃料电池汽车产业的新能源发展战略研究1 概述随着世界汽车工业的不断发展壮大，汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突出，汽车工业已成为现代经济支柱产业之一，并对世界经济的发展和社会的进步产生巨大的作用和深远的影响。燃料电池发电是继水力、火力和核能发电等之后的新一代发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效连续发电装置。因这种装置的基本原理是原电池反应而不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，理论效率可达90% ,实际使用效率则是普通内燃机的2 3 倍。另外,它还具有燃料多样性、噪音低、对环境污染小、可靠性与维修性好等优点。燃料电池作为新一代汽车动力源，已被世界各大工业国视为战略产品。氢被称为“21世纪的能源”，是今后世界、也是我国解决面临的能源危机的一条重要途径。科学家和社会学家预言，下一次工业革命将从氢能源开始，现在全世界的科学家都在积极寻求一种既清洁又无污染的能源，氢是科学家们看好的最理想的燃料。随着以氢为主要燃料的燃料电池技术和产品不断发展，并逐步进入推广和应用阶段。世界各主要国家都已认识到氢燃料电池技术潜在的巨大市场,纷纷斥巨资进行技术开发，扩大应用领域，氢燃料电池技术将给人类社会的建设和发展带来积极影响。中国对发展燃料电池汽车产业高度重视，已出台了一系列计划和政策。科技部已将燃料电池汽车列入“十五”期间的“863”关键高科技攻关项目之一。研发燃料电池汽车，用高新技术改造传统汽车工业，实现我国汽车工业的跨越发展，目前已面临着极佳的机遇。2 国内外研究现状2.1国外发展状况20世纪90年代以来，燃料电池技术在全球的开发活动异常活跃。以日本、美国和欧盟为代表的主要国家和地区，特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等主要汽车厂商根据本国和公司的实际情况，先后采取了不同的 当前，世界20多个国家的1 000多家公司和机构正投入巨资加紧进行燃料电池技术和产品的研究与商业化工作。截至2005年12月，已有14500多个燃料电池系统安装在世界各地，分布于不同的应用领域。图1 为Fuel Cell Today网络杂志2005年底对全球燃料电池安装数量所做的一个调查结果。图2为2005年不同技术类型的燃料电池安装数量比例饼图。日本在混合动力汽车方面技术最为先进；美国将新能源汽车 title=新能源汽车新能源汽车 title=新能源汽车新能源汽车研发重点放在氢能和燃料电池汽车，同时大力推动生物燃料汽车的产业化。美国加州已颁布的汽车排放法规要求在2003年加州出售的所有汽车中，零排放车的数量必须占到10%;欧洲在混合动力、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车方面都有设计，在产业化领域也大力推广生物燃料汽车；巴西在生物燃料汽车应用方面处于世界领先水平，是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一；挪威和加拿大积极发展氢能源,提出了建设“氢高速公路”计划，并已经取得了重要进展。按现在的发展速度看，燃料电池电动汽车批量生产阶段越来越近，本世纪可提前实现燃料电池汽车商业化。预计到2010 年，燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额,日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的15%和17%。到2020 年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25 %。2.2国内发展状况我国新能源汽车总体上起步较晚，与世界先进水平存在较大差距，但在部分领域也处于较为先进的水平。目前我国在混合动力、氢能和燃料电池汽车方面远远落后于世界先进水平，没有在关键技术研发领域取得重要突破。在纯电动汽车和二甲醚汽车方面，我国已经成功研发一系列轿车和客车产品，并进行了示范运行和产业化发展尝试，步入了国际领先行列。我国在产业政策制定方面起步也较晚，从2001年起，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入WTO后我国汽车工业的竞争力，经过多方论证和广泛征求意见，中国科技部在“十五”国家863计划中启动了国家、地方和企业配套资金合计约16亿元人民币的电动汽车重大科技专项。尽管从目前来看中国产业政策的绩效尚难以评估，但是与美国、欧盟和日本等发达国家的产业政策相比较，我国新能源汽车产业政策仍存在很大的改进空间。3 新能源汽车技术随着石油资源逐渐短缺，扭转目前以石油为主的能源利用格局，实现能源多样化成为未来汽车工业发展的趋势。世界各国政府已清醒地认识到这一点，纷纷拨款用于技术开发，并制定了相应的产业计划。各大汽车公司和相关企业、科研机构都加大了研发投入，加紧研究开发，并纷纷推出了一些具有先进技术的代表车型，其中涉及燃料电池电动汽车混合动力电动汽车以及其他生物能源汽车。尤其是自2004年年初，原油价格的一路狂飙使成品油价格随之上涨，很多汽车行业专家纷纷表示，高油价正在为更环保、更省油的新能源汽车带来一个千载难逢的发展契机，世界汽车工业有望从此加速摆脱对石油的依赖和对环境造成的严重污染，从而进入一个清洁能源时代。3.1燃料电池汽车燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效( 50% 80% ) 、环境友好地转化为电能的发电装置。燃料电池具有其他能量发生装置不可比拟的优越性：能量转换效率高；高可靠性;良好的环境效益。燃料电池汽车所使用的燃料包括氢、甲醇、汽油和柴油。通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动力的零排放概念车“氢动一号”，该车加速快、操作灵活，从0 100 km 加速仅16 秒,最高时速可达140 km，续驰里程400 km。空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商，其供氢站已经可为氢燃料电池汽车供应24 34 Mpa的液氢。由于氢燃料电池具有零排放等其他燃料不具备的优点，目前研究的重点主要是氢燃料电池。与传统内燃机汽车和混合动力汽车相比，燃料电池汽车具有无污染、“零排放”、高能量效率、低噪音、良好的动力及操控系统等优点。3.2混合动力汽车经过10多年的发展，混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物，它继承了电动汽车低排放的优点，又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的优点，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着重要的角色。电池是混合动力汽车的关键部件之一。目前HEV电池的主流产品是镍氢电池，主要的生产厂商是日本三洋和松下公司，美国的生产厂商Eobasys,Johnson Control SAFT等公司也先后加入到镍氢电池的研发和销售。镍氢电池具有高能量、高功率、长寿命、较好的高低温性能、比较容易进行串并联组合等特点，目前大部分商业化的HEV基本都是采用镍氢电池。锂电池目前尚处于研究改进和使用阶段，其主要优势在于具有较高的比能量，可以使电池做得更小、更轻；具有较好的充放电效率和低的自放电率，可以提高电池的能量效率，具有较大的潜在降价空间。3.3其他能源汽车使用醇类作为能源的汽车主要是乙醇汽车，乙醇汽车使用的燃料是乙醇汽油。乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加工而成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配的替代能源。乙醇汽油可有效地改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等主要污染物的排放，而且它对机动车的行驶性能也没有影响。戴姆勒克莱斯勒公司推出的NECAR 5 汽车堪称是燃料电池技术的里程碑。这种燃料电池动力汽车在美国已完成了4831 km行车试验。NECAR 5是戴姆勒- 克莱斯勒公司开发的第5代燃料电池汽车，由Ballard 燃料电池驱动系统带动，该系统包括车载甲醇转化器，转化器从液体甲醇抽取氢气驱动燃料电池。在穿越美国的行车试验中，汽车每行驶48311 km，用克莱斯勒分配器配给的甲醇补加一次燃料。生物柴油是指利用植物油和动物脂肪等可再生的资源与甲醇的进行酷交换而形成的长链脂肪酸甲脂混合物，是一种可以部分替代石油柴油的新型液体燃料。目前使用的“清洁柴油”是生物柴油与普通(石油) 柴油不同比例的混合燃料。生物柴油作为汽车燃料具有可再生性、环境友好性和优良的可替代性等突出优势。4 汽车新能源发展战略4.1国内外新能源汽车产业政策从技术上来看，新能源汽车中许多类型已经成熟，完全可以进行大规模生产。但新能源汽车产业化的最大难题通常是成本，由于传统汽车经过长期发展，具有显著的规模经济和相关产业链支持，而新能源汽车在其发展初期面临着规模较小、上下游产业链不完整等因素，导致新能源汽车的成本通常都显著高于传统汽车。美国于1975年出台能源政策和节能法令;1990年美国通过了空气清洁法案；1992年美国制定了美国国家能源政策法案；2005年美国国会对美国国家能源政策法案进行了修订；2007年美国国会相继通过了两项重要法案，即2007能源促进和投资法案和2007 可再生燃料、消费者保护和能源效率法案。除法律文件外，美国还制定了各种法规和标准来促进法律的执行。日本经济产业省和资源能源厅于2006年5 月制定了“新国家能源战略”。该战略提出的主要目标之一是“到2030年，将目前近50%的石油依赖度进一步降低到40% ”，具体要实现能源效率比现在提高30%，将运输部门的石油依赖度降低到80%等目标。欧盟从1991年起开始调整能源政策，强调节约能源和使用可再生能源，先后于1993 年和1998年出台能源计划，1995 年发表了欧盟能源政策绿皮书。1997年公布了欧盟未来能源：可再生能源白皮书。2001年，欧盟出台“发展可再生能源指令”。欧盟委员会于2007 年1 月公布了“新欧洲能源政策”。中国在新能源汽车的研究开发和应用方面，早在“八五”期间就组织实施了国家电动汽车关键技术攻关项目，“九五”期间又进行了示范运营尝试。1999年4月正式启动国家清洁汽车行动项目，重点开展燃油汽车清洁化，燃气汽车关键技术攻关及产业化，并确定了12个清洁汽车示范城市。2007年3月，国家发改委公布新能源汽车生产准入管理规则，该规则对新能源汽车作出概念界定：所谓新能源汽车是指混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车和其他新能源汽车。2007年12月18日，国家发改委发布产业结构调整指导目录，新能源汽车正式进入发改委的鼓励产业目录。2008年1月，科技部与国家发改委研究制定了可再生能源与新能源国际科技合作计划，其指导思想是：在吸引国外先进技术向中国转移的同时推动中国的先进技术走出去，加强与发展中国家的科技合作；制定可再生能源与新能源国际交流与合作技术指南，参与国际可再生能源与新能源技术标准规范的制定；促进可再生能源与新能源技术的引进、消化、吸收和再创新，与国外联合建立先进技术应用示范项目等。4.2汽车新能源发展战略按照国家863节能与新能源汽车重大项目和科技部新能源汽车产业化的相关规划，未来我国新能源汽车发展的重点是先进内燃机和混合动力汽车、纯电动汽车和燃气与燃料电池汽车。目前天然气汽车、生物燃料汽车和纯电动汽车已部分进入产业化领域，下一步的技术研发将围绕混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车展开，其中混合动力汽车和燃料电池汽车则是重中之重。按照规划，混合动力汽车将是短期和中期新能源汽车发展的主导力量，燃料电池汽车则是长期发展的重点。我国新能源汽车技术的发展状况与国际水平相比，存在一定的优势和劣势。目前我国在二甲醚汽车技术方面处于世界领先地位，纯电动汽车也达到了世界先进水平，不过在太阳能、风能、核能等发电技术上我国还存在一定的差距。天然气汽车、生物燃料汽车与世界先进水平相比存在一定差距，但差距很小。油电混合动力的技术水平相对落后，但目前正被迅速缩小，随着国家863计划的实施和企业投入的增加，我国在油电混合动力汽车技术方面正迅速接近世界先进水平。插电式混合动力、氢燃料电池和氢动力汽车技术方面与世界先进水平差距明显，目前尚未在关键技术上取得重要突破。从我国的发电结构来看，纯电动汽车所需要的电能在短期内仍然主要由煤炭、水电转化而来，二者之和所占的比重超过90% ，在成本上煤炭、水电相比其他发电方式仍然具有较为明显的成本优势,因此短期内我国纯电动汽车所需要的能源主要仍由煤电和水电来提供，核电可以作为煤电和水电的补充。由于生物质能源的缺乏，我国在生物燃料方面应当积极拓展多元化的非粮食原料生物燃料，发展的区域也主要集中在自然生物质能源相对丰富的省市，如云南、广西等。通过煤炭制取二甲醚在技术上已经相对成熟，可以成为替代燃料的补充，但应当注意控制制取过程中的污染问题。从短期来看，液化天然气可成为短期发展目标。因为液化天然气有助于解决汽车尾气的严重污染问题，并且有助于解决目前的石油紧张问题。我国的天然气储量较石油丰富，而且天然气的探明储量在不断增加。此外，使用液化天然气不受天然气管网限制，可充分利用世界天然气资源，这对于我国的能源安全有利；但是，天然气资源是不可再生资源，长期过量开发与使用将会导致与石油资源一样的命运。从中期来看，混合动力和纯电动将成为主要的新能源汽车技术。插电式混合动力在改进型混合动力的基础上。主要使用电动模式，与纯电动汽车一样需要清洁的电能。从长期来看，氢能源汽车开发，涉及许多技术领域。发展氢经济对确保中国能源安全、实现真正可持续发展的交通体系也有着至关重要的作用。中国汽车行业不必像发达国家那样经历石油燃料时代发展的全过程，而正处在大力发展未来能源的黄金时机，并将在推动全球氢经济发展的进程中占据特殊地位。在电能获得方面，由于这一阶段利用清洁一次能源如核能、太阳能、风能和潮汐能等发电的技术将会逐步成熟，因此能源发展的中心仍然是大规模推广利用核能、太阳能、风能和潮汐能等清洁一次能源来发电。从我国的实际情况来看，政府对国内能源厂商和汽车厂商具有较高的影响力和控制力，在政府主导下发展多种主体共同参与的新能源汽车产业化发展战略联盟能够有效降低各方面临的市场风险，对新能源汽车产业化发展将起到非常重要的作用。5 结论本文从整个产业技术体系的发展战略角度出发，分析国内外研究现状和现有的汽车各种替代能源的优缺点，提出实施汽车新能源的发展战略。本研究方向对我国实现产业技术的跨越发展具有十分重要的现实意义。