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浅析燃料电池汽车的开发动向及影响

摘要：汽车的发展带来了社会的进步和人类的繁荣，随着汽车保有量的急剧增加对燃油的需求也急速上升，从另一方面而言环境的污染也同步攀升。面临环境日益恶化的现象各国正在努力研究新能源来减轻环境的污染程度和地球资源的压力，保障人与自然的和谐发展。例如燃料电池汽车，燃料电池汽车的关键部件是燃料电池，燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染的汽车，燃料电池的能量转换率比内燃机要高2-3倍，因此从能源的利用和环境保护方面燃料电池汽车是一种理想的车辆。
关键词：燃料电池,环境,开发动向,工作原理
一、燃料电池汽车开发的背景
目前，汽车使用的能源主要是石油产品——汽油和柴油。所以汽车发动机在燃烧这些燃料时会排出大量的对人体有害和环境有害的物质，比如，一氧化碳CO、碳氢HC会损害人的呼吸系统；氮氧化物NOx,经太阳光照射会发生光化学反应，产生刺激人的眼睛、鼻子、口腔黏膜的烟雾。
在经济快速发展的同时也带来了不小的损失，环境的污染和资源的严重不足就证明了经济的发展已经开始偏离了和谐发展的轨道。经济的发展是必须的，但环境保护和资源合理利用也是必不可少的，只有经济与自然和谐健康发展才是一个永恒的道路。
因此，许多国家都在积极研究开发高效、节能、低污染的汽车，来减少环境的污染和资源的浪费，合理的利用每一种资源更好的为人类服务，真正的做到人与自然地和谐发展。当前，正在使用与开发的低污染汽车大体有如下种类:天然气汽车——包括压缩天然气汽车、液化天然气汽车、吸附天然气汽车、甲醇汽车、氢燃料汽车、混合型汽车、电动汽车（蓄电池汽车、燃料电池汽车和太阳能电池汽车，其中，燃料电池汽车是近几年来开始研究开发的新型汽车）。
二、燃料电池汽车的概论
（一）、燃料电池汽车
燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点 :
1、零排放或近似零排放。
2、减少了机油泄露带来的水污染。
3、降低了温室气体的排放。
4、提高了燃油经济性。
5、提高了发动机燃烧效率。
6、运行平稳、无噪声。
燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到:有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒－克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。
（二）、燃料电池汽车的工作原理
燃料电池车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极度少的二氧化碳和氮氧化物。但总的来说，这类化学反应除了电能就只产生水。因此燃料电池车被称为“地球的环保车”。
燃料电池的能量转换效率极高。燃料电池不经历热机过程，不受热力循环限制、故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用内燃机的普通汽车。
另一方面，近年来燃料电池技术的迅速发展也为燃料电池运用于汽车创造了条件。由于技术的进步，燃料电池的功率密度不断提高，电池组的输出功率不断增大，而电池的体积和成本却明显降低。
许多大公司之所以对燃料电池感兴趣，还因为内燃机技术的发展已几乎走到了尽头。随着汽车尾气排放标准的日益严格，要从内燃机的设计上找到突破口已经很困难了，而且势必会大大增加内燃机的成本。经过了一百多年，燃料技术的发展几乎达到了极限。
燃料电池的另外一个吸引人的地方在于它将取代蓄电池用于电动汽车。由蓄电池驱动的电动汽车虽然摆脱了马达的轰鸣，可以无任何噪音地行驶，但它有一个致命的弱点，那就是充一次电的行程有限。
要增大电动汽车的行程，一种方法就是携带燃料并能车载发电。这样就出现了所谓的混合动力汽车。它使用一种小型内燃机所驱动，在加速时由一组蓄电池提供辅助动力，在刹车时还可回收制动力。混合动力汽车由于结合了电动和机械驱动两套装置，因而结构复杂，成本也高。与蓄电池电动汽车和混合动力汽车不同的是，燃料电池汽车可以车载发电。只要带上足够的燃料，它可以把您送到任何想去的地方。
（三）、燃料电池的最佳选择
燃料电池的燃料的氢气、甲醇和汽油三种。根据燃料电池的发电原理，氢气是最理想的燃料。一是氢气可以直接参与电化学反应；二是氢气燃料电池的产物中只有洁净的水蒸汽，对环境不会造成任何污染。要将氢气作为燃料电池汽车的燃料，问题就远非这么简单了。以氢气为燃料，必须解决以下两个问题：一是如何经济地获取纯氢天然气等传统的化石燃料，通过重整或改质技术转化而来。这样一来，氢作为二次能源，它的制取不仅要消耗大量的能量，而且并没有从根本上摆脱对化石能的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染。自然界中，氢能大量存储在水中，虽然取之不尽，但直接使用热分解或是电解的办法从水中制氢、显然不划算。因此多数科学家都将目光转向了利用太阳能，但是目前还存在许多技术障碍。目前，他们正在进行太阳能分解水制氢。太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉价地生产出氢燃料，氢燃料电池民汽车的燃料问题才算获得了根本性解决。
氢燃料电池汽车的应用面临的第二个问题便是如何为燃料电池供应燃料。通常氢能以三种状态存储和运输：高压气态、液态和氢化物形态。用常用的压缩气体罐贮存的氢，只能供燃料电池汽车行驶150km，这还不如目前最好的蓄电池驱动的汽车。由于氢气是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成极度为可怕的后果。而在零253℃的条件下贮存液氢的深度致冷技术对于大众市场来说，目前还很不成熟。就全球来说，目前能够加液氢的加氢站也没有几家。可喜的是，储氢材料的开发忆取得令人鼓舞的进展。据报道，一种具有复杂的纳米结构的石墨纤维，其单位重量可以吸收20%的氢气。
燃料电池种类繁多，其性质和荼温度范围随所用的电解质的性质而异，对于汽车用燃料电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）最为适合。它的结构紧凑，工作温度低（只有80℃），启动迅速，功率密度高，工作寿命长。PEMFC的核心是一涂有铂催化剂的弹性塑料膜。铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只有质子可以通过电解质膜，与膜另一侧的氧结合生成水，而电子在闭合的外电路中形成电流。PEMFC早在20世纪60年代就用在双子星宇宙飞船中作备用电源。由于其输出的电流太小而且造价地高，限制了它的商业应用，更不用说用来驱动汽车了。80年代晚期，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员对催化剂做了大量改进，使铂的用量减少了90%。全球领先的燃料电池开发商，加拿大的巴拉德动力系统公司通过改进电解质膜，使电池的能量密度成倍增加，这是其它燃料电池所无可比拟的。
三、燃料电池电动汽车的现状与发展
燃料电池以其特有的燃料效率高、比能量大、比功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物NO2等优点正在引起世界各国的注意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99%，CO2的生成量减少75%，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。 近年来一些厂家，如戴姆勒-克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车(FCEV)。汽车界人士认为FCEV是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。
（一）燃料电池电动汽车的发展慨况
20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力，开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。
加拿大巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。目前，Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。
　　在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC)，1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。
　　在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的De No公司处于领先水平。德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。
　　法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。
　　英国能源部也于1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。PEMFC的研究重点是改善催化材料的性能并探索铂(Pt)催化剂的涂覆方法，降低铂(Pt)含量，提高铂(Pt)利用率和耐受CO的允许值。
　　我国在燃料电池电动车领域的研究水平与发达国家相差无几，由清华大学和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动旅游观光车，展示了国内研制电动车的最新技术。中科院大连物化所研究制造了多种不同类型和不同规格的燃料电池。有关专家指出，我国完全有能力在这一领域赶超世界先进水平。
燃料电池技术虽已取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍有一些难题需要解决，例如氢的制取、储存及携带成本高、基础设施建设投资大等。当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。随着燃料电池的体积功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改进和完善，以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。
（二）燃料电池电动汽车结构布置
　　燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。目前，通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。
（三）、目前，车用燃料电池急需解决的关键问题
1、提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高动力车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。就PEMFC本身来说，主要的技术研究方向如下。
　　（1）聚合物电解质：深入研究聚合物电解质中的传导和扩散机理，开发新的结构模式。选择造价低、易于生产且化学结构相对简单的膜片。同时开发可在高温(200℃)下传导质子的聚合物，减少CO对电极催化剂的毒害，并提高废热的回收利用率。
　　（2）电极催化剂：研究电极反应及中间反应机理，继续开发耐杂质、高性能、低造价的电极催化剂。
　　（3）电极结构：从微观及分子角度研究构成电极结构的材料特性、结构和性能之间的关系。
　　（4）其它方面：对于像压缩机、泵、热交换器、重整装置、选择氧化器等的系统元件都要在材料、体积及应用性能方面进行优化研究；减小体积和质量，以便装入汽车等动力装置有限的使用空间。
　　2、必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量。
　　3、必须解决好氢气的安全问题。研究表明：在一定的条件下，氢气比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求。
4、电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用。
5、发展结构紧凑及性能可靠的PEMFC的同时开发应用其它燃料，像甲烷、柴油等驱动的PEMFC，这将会拓宽PEMFC的应用范围。
结束语
在当今的世界发展格局之下，随着燃油的开采及其价格上涨，各国都积极需找新的能源产品来代替传统的能源结构，燃料电池汽车的开发、应用正在逐步进入平常的人的视线之中，汽车的操控性也变得简单便捷。
通过这次布置论文，查阅了相关的资料，也增加了自己对汽车科技发展的认识。在论文的编写过程中，感谢帮助指导我的老师和同学，感谢学校三年来的教育，谢谢！

参考文献：
1 期刊 燃料电池电动汽车前景分析- 电池工业 - 2009, 14(1)
2 孙力：《2002中国电动汽车研究与开发》 ，北京理工大学出版社2002年版
3 张可．中国新能源汽车发展问题及对策[Z]．汽车蓝皮书——中国汽车产业发展报告，2009
4 李金津．对我国新能源汽车产业的发展思考及相关建议[J]．工业技术经济，2008
5 毛宗强.燃料电池.北京:化学工业出版社,2005.

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