燃料電池汽車(chē)存在的優(yōu)點(diǎn)令人期待并受到矚目，許多國(guó)家的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在燃料電池組的一體化、燃料處理器和輔助裝置等方面，正在朝著高技術(shù)集成、降低成本和商業(yè)化方向進(jìn)行著不懈的努力。燃料電池公交汽車(chē)雖非指日可待但也正在向我們走來(lái)。
燃料電池汽車(chē)（FCV：Fuel Cell Vehicle）與電動(dòng)汽車(chē)的根本區(qū)別在于：燃料電池是一種發(fā)電裝置，既不像非充電電池那樣用完后丟棄，也不像充電電池那樣需要經(jīng)常充電，使用過(guò)程中只需為燃料電池添加燃料即可維持電力持續(xù)使用。由于其能量是通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)作用（并非經(jīng)過(guò)燃燒）直接變成電能的，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，并且能量轉(zhuǎn)換效率也比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍。從能源利用效率和環(huán)境影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，燃料電池汽車(chē)是一種理想的清潔能源汽車(chē)。
1 燃料電池汽車(chē)
1）燃料電池汽車(chē)的基本構(gòu)造
燃料電池汽車(chē)主要由貯氫罐、燃料電池組、電機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、超級(jí)電容或輔助蓄電池及熱交換器等部件組成。由圖1可以看出，燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)公交汽車(chē)的主要區(qū)別是電力來(lái)源方式的不同。
圖1 燃料電池汽車(chē)的基本構(gòu)造
2）燃料電池的工作原理
燃料電池雖然稱(chēng)電池但不是電池，而是相當(dāng)于一臺(tái)氫燃料發(fā)電機(jī)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。
工作時(shí)給負(fù)極供給燃料(氫)，給正極供給氧化劑(空氣)。氫在負(fù)極分解成正離子H＋和電子e-：2H2→4H++4e-，氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路(含負(fù)載)移向正極（圖2）。
氧在正極獲得氫離子和電子反應(yīng)為水：O2+4H++4e- →2H2O�？梢�(jiàn)這正是水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程(圖2)，且燃料電池唯一的排放物是水。燃料電池所使用的燃料有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料，汽油、柴油和天然氣等燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過(guò)重整器“重整”為氫氣后，即可成為燃料電池的燃料。
最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在已發(fā)展為直接使用的固體電解質(zhì)材料。
圖2 燃料電池的發(fā)電原理
3）燃料的供給方法
氫燃料電池汽車(chē)的燃料供應(yīng)通常為三種方式：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。
用壓縮氣體罐貯存的氫，由于能量密度低使續(xù)駛里程受到限制，一般只能供燃料電池汽車(chē)行駛150km左右。此外，由于氫氣是最小的分子，故很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都會(huì)造成可怕的安全事故。
采用-253℃深度致冷技術(shù)使之成為液態(tài)，雖然能量密度高但由于熱絕緣技術(shù)存在一定難度，并且由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)過(guò)程中能量損失大，將其推向市場(chǎng)還存在較大技術(shù)難題。
可喜的是，儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā)已取得令人鼓舞的進(jìn)展。氫的化學(xué)特性活躍，它可以同許多金屬或合金化合，吸收氫之后形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，并且這類(lèi)金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分解，把所吸收的氫釋放出來(lái)，成了一種良好的貯氫材料。還有，具有復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)的石墨纖維，其單位質(zhì)量可以吸收20%的氫氣。
2 燃料電池汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)
1）發(fā)電效率很高
燃料電池采用化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換電能的發(fā)電方式（圖3），而火力發(fā)電是將煤炭、石油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成為動(dòng)能，然后再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能使發(fā)電效率大打折扣。如：石油發(fā)電的綜合能源利用效率不過(guò)35.3%，而氫燃料電池的最大發(fā)電效率可達(dá)82.9%，相當(dāng)于石油發(fā)電效率的2.35倍。
a)燃料電池發(fā)電
b)火力發(fā)電
圖3 兩種發(fā)電方式的流程與效率對(duì)比
2）無(wú)送電損失
燃料電池可在使用場(chǎng)所將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，如：汽車(chē)、車(chē)間、住宅等現(xiàn)場(chǎng)直接發(fā)電并向用電設(shè)備直接傳送，所以不存在送電損失問(wèn)題。而火力發(fā)電的遠(yuǎn)距離送變電損失則高達(dá)6%左右。
3）環(huán)境負(fù)荷小
燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。而火力發(fā)電伴隨能源的燃燒會(huì)向大氣排放各種有害物質(zhì)和大量CO2。因此，氫燃料電池汽車(chē)是真正意義上的零排放、零污染的車(chē)，氫燃料是完美的汽車(chē)能源。
4）燃料類(lèi)型廣泛
燃料電池發(fā)電時(shí)所用的燃料是氫和氧，其中氧可以從空氣中直接獲取，實(shí)際工作時(shí)所需燃料只有氫。制取氫所使用的燃料則是多樣化的，如：天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通過(guò)再生能源制氫（電解水制氫、太陽(yáng)能電解制氫、生物制氫）形成循環(huán)利用系統(tǒng)，這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。由此可以降低人類(lèi)對(duì)石油的依賴性，符合應(yīng)對(duì)石油匱乏的全球能源戰(zhàn)略。
5）經(jīng)濟(jì)性好
試驗(yàn)表明，氫燃料電池車(chē)輛的能耗經(jīng)濟(jì)性可達(dá)到傳統(tǒng)汽油車(chē)的2～3倍，從節(jié)約能源的角度來(lái)看，燃料電池汽車(chē)明顯優(yōu)于用內(nèi)燃機(jī)的普通汽車(chē)。
3 燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
1）概況
由于燃料電池汽車(chē)，尤其氫燃料電池汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)零污染排放，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)幾乎無(wú)噪音，且氫能取之不盡、用之不竭，使燃料電池汽車(chē)成為近年來(lái)汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛出臺(tái)政策，加速推進(jìn)燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。2008年5月20日，歐洲議會(huì)通過(guò)《氫能源和燃料電池聯(lián)合技術(shù)發(fā)展計(jì)劃》，提供10億歐元科研經(jīng)費(fèi)，用于燃料電池技術(shù)的研究。英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等也在近期加大了對(duì)氫燃料電池的研發(fā)資助力度。在美國(guó)，能源部制定的“氫計(jì)劃”，在未來(lái)5年內(nèi)投入30多億美元開(kāi)發(fā)氫燃料技術(shù)，逐步加大燃料電池汽車(chē)的市場(chǎng)份額。
預(yù)計(jì)到2010年，世界燃料電池汽車(chē)將發(fā)展到４萬(wàn)輛，其市場(chǎng)構(gòu)成比例分別為：歐洲占40.5%，美國(guó)占38.0%，日本約占20.3%。
在我國(guó)，燃料電池汽車(chē)是“十五”期間全國(guó)12個(gè)重大研究專(zhuān)項(xiàng)之一。其中，質(zhì)子膜關(guān)鍵技術(shù)被列為山東省第一號(hào)科技攻關(guān)項(xiàng)目，取得了重大突破。遼寧新源動(dòng)力股份有限公司承接國(guó)家“863”重大科研項(xiàng)目，研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料電池系統(tǒng)、燃料電池電站、便攜式電源等產(chǎn)品。在“十一五”期間，我國(guó)將繼續(xù)加大對(duì)燃料電池汽車(chē)的研發(fā)投入，推動(dòng)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。與汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)發(fā)展新能源汽車(chē)雖然起步不晚，但國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)并不先進(jìn)，存在核心技術(shù)“卡殼”的瓶頸，使國(guó)產(chǎn)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)。
2）日本的發(fā)展路線
日本燃料電池的開(kāi)發(fā)基本上由政府計(jì)劃和引導(dǎo)，并且號(hào)稱(chēng)在燃料電池汽車(chē)諸多領(lǐng)域取得領(lǐng)先。從日本新能源開(kāi)發(fā)組織（NEDO）制定的分階段發(fā)展路線和關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)（表1）中，我們不僅看到燃料電池的發(fā)展?jié)摿芫哂形�，同時(shí)也能衡量出我們存在的差距。結(jié)合我國(guó)政府制定的發(fā)展計(jì)劃和行業(yè)發(fā)展水平，也許能幫助我們推測(cè)出燃料電池公交汽車(chē)走進(jìn)我國(guó)城市生活的大體日程。
表1 日本ＮＥＤＯ制定的分階段發(fā)展路線和關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)
注：①資料來(lái)自“NEDO氫燃料電池技術(shù)開(kāi)發(fā)路線（2008版）”。
②目前1萬(wàn)日元≈700元。
③耐久性指標(biāo)中，1h≈48km。
4 燃料電池汽車(chē)技術(shù)動(dòng)向與課題
1）小型化
燃料電池組的小型化對(duì)增大公交汽車(chē)的有效利用空間意義重大，是整車(chē)制造企業(yè)優(yōu)先考慮的課題，也是公交汽車(chē)用戶普遍關(guān)心的問(wèn)題。影響燃料電池體積的技術(shù)指是“輸出功率密度/體積（W/L）”。日本規(guī)定輸出功率密度與體積之比達(dá)到2 kW/L這一水平才能認(rèn)定為小型化。并將燃料電池隔膜材料及工藝的研究列為重點(diǎn)課題之一。
2）續(xù)駛里程
氫燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)同樣面臨續(xù)航能力的課題，目標(biāo)是使其具有象傳統(tǒng)燃油汽車(chē)那樣的便利性。國(guó)外最近成功研發(fā)了具有代表性的70 MPa車(chē)載氫貯存裝置，一次加注氫燃料后的續(xù)駛里程可達(dá)到830 km。這標(biāo)志著燃料電池公交汽車(chē)的續(xù)駛里程能夠隨著燃料電池汽車(chē)的發(fā)展同步提高。況且，公交汽車(chē)的行駛范圍更便于加注燃料。
3）低溫起動(dòng)性
氫燃料汽車(chē)的低溫起動(dòng)性能限制了汽車(chē)的應(yīng)用范圍，一直作為一個(gè)技術(shù)難題受到行業(yè)關(guān)注并持續(xù)進(jìn)行全力破解�？上驳氖�，目前國(guó)外已有少數(shù)企業(yè)突破了這一技術(shù)瓶頸，號(hào)稱(chēng)-30℃寒冷環(huán)境下的低溫起動(dòng)性能已經(jīng)通過(guò)了試驗(yàn)與驗(yàn)證。但-40℃的低溫起動(dòng)目標(biāo)尚未突破。
4）耐久性
燃料電池汽車(chē)的耐久性集中在燃料電池上。日本豐田汽車(chē)公司發(fā)表了燃料電池的膜-電極接合體（MEA：Membrane Electrode Assembly）4階段耐久性改善計(jì)劃，在系統(tǒng)泄漏、觸媒電極退化導(dǎo)致的電壓下降等關(guān)鍵材料和技術(shù)方面分階段提高，使系統(tǒng)的耐久性大幅改善。技術(shù)目標(biāo)為：燃料電池系統(tǒng)性能下降至30%時(shí)的壽命提高至25年；系統(tǒng)性能下降至10%的壽命提高至15年。在防止燃料交叉泄漏方面也將實(shí)現(xiàn)突破性改善。
影響燃料電池材料（MEA）使用壽命和性能的一個(gè)重要的關(guān)聯(lián)要素是氫燃料的純度。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氫純度為99.99%，并且對(duì)CO和硫磺成分的混入量提出了嚴(yán)格限制標(biāo)準(zhǔn)。上述不良成分對(duì)燃料電池的影響極大，然而高純度氫的制取與氫生產(chǎn)成本互為矛盾，需要二者合理兼顧。所以，在氫燃料達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)提高燃料電池的使用壽命便成了永久的課題。
5）降低成本
成本是推廣燃料電池汽車(chē)的最大障礙。在取得電池組小型化、提高續(xù)駛里程、改善低溫起動(dòng)性能、滿足耐久性使用要求的前提下，降低成本、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商品化成為必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)續(xù)駛里程830 km的目標(biāo)，將貯氫罐的耐壓能力由35 MPa提高到70 MPa，采用碳纖維材料制作耐高壓貯氫罐將使成本大幅增加。
除此之外，降低燃料電池的外圍設(shè)備的成本也不可忽視。比如，研制高溫、低溫?zé)o需加濕條件也可運(yùn)轉(zhuǎn)的電池組；實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)、加濕裝置等外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單化、低成本化等。
日本提出，到2030年使燃料電池成本降低至目前的1/100；整車(chē)售價(jià)由目前的數(shù)千萬(wàn)日元降低到數(shù)百萬(wàn)日元。到2020年，使燃料電池汽車(chē)的售價(jià)與普通汽車(chē)價(jià)格相當(dāng)。
6）氫燃料的回收
從降低氫燃料消耗的理念出發(fā)，燃料電池排出口的氫燃料回收再利用技術(shù)同樣引起重視。為此，在氫燃料中保有適量非活性的氦氣，也是氫燃料制取中需要考慮的課題。
通過(guò)以上分析可以看出，以氫為動(dòng)力的燃料電池汽車(chē)是最理想的新能源汽車(chē)，但面臨的技術(shù)門(mén)檻和經(jīng)濟(jì)性障礙仍需要一定的時(shí)間才能逐一攻破。從目前的研發(fā)水平看來(lái)，世界級(jí)的領(lǐng)先企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了研制新一代燃料電池汽車(chē)的技術(shù)途徑，核心技術(shù)則聚焦在降低成本和提高壽命上，這些問(wèn)題一旦得到解決，燃料電池汽車(chē)即可“破繭成蝶”，燃料電池公交汽車(chē)也將同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)入城市公共交通體系。
