燃料電池技術在汽車上的應用

1、燃料電池技術在汽車上的應用燃料電池是一種將儲存在燃料(氫)和氧化劑(氧)中的化學能通過電化學反應直 接轉化為電能的裝置，其過程不涉及燃燒，無機械損耗，能量轉化率可高達80, 產(chǎn)物僅為電、熱和水蒸氣;而且燃料電池運行平穩(wěn)，無振動和噪音，所以被認為是 21世紀的綠色能源。山于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒 有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免 中間的轉換的損失，達到很高的發(fā)電效率。燃料電池技術在汽車上的應用給汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了革命性的突破，同時也推 動了自身的發(fā)展。燃料電池可以用作汽車的(輔助)動力電源，也可以用作輔助電 源。事實上，人們考慮

2、更多的是燃料電動汽車(FCEV),它不同于傳統(tǒng)汽車，其動力 來自燃料電池，而不是內燃機，可以減少燃料消耗，產(chǎn)生更少的污染物排放，當以 氫作燃料時，能真正實現(xiàn)汽車的“零排放”，因此更符合人們的經(jīng)濟環(huán)保觀念。此 外，在能量耗盡后，燃料電動汽車不像傳統(tǒng)的蓄電池電動汽車(BEV)那樣需要長時 間充電，而只需補充燃料即可繼續(xù)工作，這一點對汽車駕駛者來說尤為方便。前開發(fā)的燃料電池動力車主要用兩種類型:純燃料電池動力車和燃料電池一 蓄電池混合動力車。純燃料電池動力車釆用大功率的燃料電池堆棧，以確保在沒有 后備蓄電池的情況下能提供啟動、瞬時加速的動力;而燃料電池一蓄電池混合動力 車以蓄電池為主動力，小功率的燃

3、料電池用作續(xù)程器。1. 汽車用燃料電池研究最多、最成功的是質子交換膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC 作為笫五代燃料電池，山于具有能量轉化率高、低溫啟動、無電解質泄漏等特點， 被公認為最有希望成為電動汽車的理想動力源。但是山于PEMFC需采用貴金屬Pt 作為電極催化劑，不僅提高了成本;而且限制了燃料只能采用純氫，因為燃料中的 微量C0也可導致Pt中毒。對于屮醇、汽油等燃料，必須經(jīng)過重整純化，從而增加 了系統(tǒng)的復雜性。近年來，PEMFC技術取得了重大突破，燃料已經(jīng)實現(xiàn)內重整，使 得系統(tǒng)體積大為減少，有望進一步“減負”；更重要的是催化劑中pt載量大為降 低，成本問題有望得到解決，相信PEMFC汽

4、車在不久的將來能夠實現(xiàn)商業(yè)化。2. 在PEMFC的基礎上，以屮醇代替純氫直接作為燃料，可以大為簡化系統(tǒng)，這 種PEMFC稱為直接屮醇燃料電池(DMFC)。DMFC具有體積小、重量輕、燃料來源豐 富、價格便宜、儲存攜帶方便等優(yōu)點，是理想的汽車動力源。對于DMFC而言，甲 醇的陽極氧化遲緩及屮醇通過Nafion膜(全氟磺酸膜)的滲透所引起的陽極性能衰 減是限制DMFC發(fā)展的主要問題。U前許多研究人員正在開發(fā)新的替代Nafion膜的 聚合物膜，也取得了很大的進展。提高屮醇氧化的催化劑活性，減少貴金屬用量也 是DMFC技術實用化的關鍵。直接屮醇燃料電池一一簡稱 DMFC(DirectMethanolF

5、uelCell)。它是以中醇為燃料，通過與氧結合產(chǎn)生電流的， 優(yōu)點是直接使用屮醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲。其電化學轉化過程乂可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃 料電池。直接燃料電池主要是屮醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質子膜到 陰極與氧氣反應并同時產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將屮醇進行煉解或重整得到 氫，然后再由氫和氧通過質子膜電解槽反應而獲得供給汽車動力的電能。專家們認 為這項技術距離實用化至少還需7年時間。盡管如此，許多人仍把它作為燃料電池 汽車的首選技術進行開發(fā)和研究。日本則武公司的產(chǎn)品在改進后，達到了 160mW/cm2的高功率密度，性能約為原來的1. 5倍。據(jù)分析，

6、之所以能達到如此高 的性能，主要原因在于使用了有機物和無機物的混合技術來制作電解質材料，從而大大減少了屮醇透過電解質膜的“中醇滲透”現(xiàn)象，并提高了電解質膜的 形狀穩(wěn)定性。則武公司從事燃料直接使用液態(tài)甲醇的DMFC電解質膜的開發(fā)，山于 DMFC具有無需燃料改質器、可在低溫下工作等優(yōu)點.3. 固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種全陶瓷結構燃料電池，和一般燃料電池一 樣，固體氧化物燃料電池也是山陽極、陰極及兩極之間的電解質組成，但丄作溫度 相對較高，一般在8001000?o在陽極一側持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣 等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過陽極的多孔結構擴散到 陽極

7、與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面 吸附氧，曲于陰極本身的催化作用，使得02得到電子變?yōu)?2-,在化學勢的作用 下，02-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達 固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外路回到陰極。 其能量轉化效率最高，操作方便，無腐蝕，與PEMFC相比，燃料適用面廣，不須用 貴金屬催化劑，而且不存在DMFC的液體燃料滲透問題。但是固體氧化物燃料電池 受電解質所限，須高溫(1000?左右)工作，導致啟動慢，這是S0FC在汽車上應用的 致命弱點。隨著固體氧化物燃料電池技術的發(fā)展，其操作溫度降至700,

8、 800?,與 燃料的重整條件接近，可以實現(xiàn)燃料的直接內重整，不僅降低了堆棧成本，而且簡 化了熱管理，使系統(tǒng)變得更緊湊，已經(jīng)被用作汽車的APU。最近低溫S0FC的研究 取得了突破性進展，采用新型低溫固體電解質和高活性的電極材料，使工作溫度降 至500?以下，若將其再與蓄電池或超級電容器聯(lián)用，就可以用作汽車的動力源。 無論是從技術還是從成本來看，低溫S0FC汽車都有希望與PEMFC汽車在未來的 FCV市場上一較高下。除了上述三種燃料電池在汽車上有很好的應用詢景，堿性燃料電池(AFC)和磷 酸燃料電池(PAFC)這兩類最早開發(fā)的燃料電池也被應用于汽車，U前均有相應的樣 車推出。但是在汽車上的應用并

9、不成熟，還有大量的技術問題有待解決，所以不為 人們所關注。燃料電池汽車實際上是一種使燃料中的化學能轉變?yōu)殡娔軓亩寗榆?輛的汽車，排放物只是沒有污染并可再利用的水。燃料電池的發(fā)展還有些關鍵性技術難題，如催化劑、質子交換膜、極板等，這些問題都在研究攻關階段，但不管如 何，“氫能”必將引起汽車工業(yè)的命。電動汽車最早出現(xiàn)在1873年，英國人羅伯持?戴維森制造了笫一輛有實用價值 的電動汽車，電的來源是蓄電池，這輛電動車比卡爾?本茨的汽車還早10多年。然 而，山于當時的技術水平和社會環(huán)境所限，電動汽車沒有發(fā)展起來，但燃燒汽油的 內燃機汽車發(fā)展得很快，在全世界的保有量迅速增加，尤其是在發(fā)達國家的大城 市，

10、汽車增加得更快。這樣，汽車尾氣排放的有害物質便成為第一大環(huán)境污染源。 1935年9月中的兒天里，美國洛杉磯的光化學煙霧非常濃烈，兩天之內就有400 多名65歲以上的老年人死亡，比平時高出兒倍。此外，還有兒千人受到不同程度 的傷害，地里的蔬菜變質，四分之一的森林干枯而死，那一幕幕慘狀至今令人難 忘。汽車尾氣的排放對人類健康和人們生活構成了嚴重威脅，再綜合能源問題的考 慮，于是，具有零排放污染的電動汽車重新被重視起來，各國都制定了相關的鼓勵 政策。典型的例子如美國，1993年9月，美國政府提出了 10年完成的“新一代汽 車合作計劃”（PNGV）,山政府牽頭，組織兒十個公司和機構，完成提高燃料經(jīng)濟性

11、 和開發(fā)電動汽車的規(guī)定LI標。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的 長遠規(guī)劃，調動社會上各種力量參與電動汽車的研制。電動汽車經(jīng)歷了關鍵性技術 的突破，樣機、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實際應用等探索階段，現(xiàn)在已 接近商業(yè)化生產(chǎn)。我認為電動汽車前景肯定會好，不過最關鍵的不是市場，而是制造技術，電池 問題解決不了，很難發(fā)展?？纯慈毡镜臍淙剂想姵仄囈苍S是發(fā)展方向。電動汽 車能否普及的關鍵在于電池（或電容器），普通二次電池充電時間長，壽命短，充放 電效率低，充電一次續(xù)行里程短等都是致命缺點，而超級電容器的充電時間、壽 命、充放電效率等都非常好，只可惜儲能密度太低（充電一次續(xù)行里程太短，

12、遠不 如二次電池）。如果超級電容器的儲能密度能再上一個臺階（比如說能達到或超過二 次電池的水平），則電動汽車將有無限光明的前景。本人的問題是既然高溫超導已 經(jīng)達到商用水平，為什么不用超導材料做成超級電感器（用超導材料做成的超級電 感器應該具有非常高的儲能密度）存儲電能用于電動汽車呢，專家預測，新興的高能 電池技術將催生新的電動汽車時代，美國通用、日本豐田、法國雪鐵龍等世界著名 公司都把開發(fā)電動汽車作為未來發(fā)展的方向。發(fā)動機的物理特性決定了變速箱的存在。首先，任何發(fā)動機都有其峰值轉速； 其次，發(fā)動機最大功率及最大扭矩在一定的轉速區(qū)出現(xiàn)。比如，發(fā)動機最大功率出 現(xiàn)在5500轉。變速箱可以在汽車行駛

13、過程中在發(fā)動機和車輪之間產(chǎn)生不同的變速 比，換檔可以使得發(fā)動機工作在其最佳的動力性能狀態(tài)下。理想情況下，變速箱應 具有靈活的變速比。無級變速箱（CVT）就具有這種特性，可以較好的發(fā)揮發(fā)動機的 動力性能。我想應該是用電動機帶動變速箱的主動軸，再帶動輪子，實現(xiàn)電機的高低 速運行，和汽車原理上差不多，只是把內燃機換成了電動機.電動車不在發(fā)動機內燃 燒汽油。它使用存儲在電池中的電來發(fā)動。在驅動汽車時有時使用12或24塊電 池，有時則需要更多。正如遠距離控制的模擬電動汽車一樣，電動車配有用來旋轉 車輪的電發(fā)動機以及使發(fā)動機運轉的電池。Impact,通用公司的現(xiàn)代電動車之一，外形看起來很圓滑，竟然創(chuàng)造了每

14、小時 行車180公里的世界紀錄電動車的電池充電過程通常在夜間進行。例如，Impact汽車，一輛用于測試的 汽車，在房間的一個特殊的充電器上進行充電。Impact目前還沒有開始進行銷 售。有些電動車可以直接的插到一般墻上的插口上進行充電。其他的則需要一個更 大的插座，比如使用爐子或者電熨斗的插座。電動汽車與內燃機汽車相比，有其自身的許多特點，電動汽車的價格比內燃機 汽車高，決定了電動汽車的初期投入大、費用支出多，但是電動汽車的維修保養(yǎng)費 用低，隨著使用年限的延長，其使用費用支出會逐漸降低，甚至會低于內燃機汽車 使用成本。1996年，北京舉辦的國際電動汽車及代用燃料汽車展覽會上，參展的電動汽車 有

15、福特的Ranger電動輕卡車，通用的EV1型車，豐田的RAV4L型車，PSA集團的 SAXO型車，菲亞特的ZIC等車型，充分展示了電動汽車的發(fā)展水平。此外，還有 很多混合動力汽車展出。1999年，在日本東京國際車展上，展出的燃料電池汽車 有豐田公司功率為75kW的燃料電池汽車;奔馳公司A級燃料電池汽車，車內空間與 內燃機車型相同。功率為5OkW,最高速度為150km/h;三菱公司功率為40kW的燃料 電池汽車;福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料電池汽車的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了號稱“氫動一號”的燃料電池汽車，應 用液態(tài)氫驅動燃料電池組，總體積與一臺普通汽油機相當，功率為

16、80-120RW,整 車質量為1575kg, 0-100km/h加速時間僅為12s秒這些指標與相應的汽油機汽車 基本相當。豐田公司最新一輪燃料電池汽車FCHV4,輸出功率為90kW,最高時 速150km,續(xù)駛里程250km?，F(xiàn)在開發(fā)出來的汽車代用燃料還有壓縮天然氣 (CNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇和乙醇等等,這些代用燃料汽車都已投入實際使用，尤其是壓縮天然氣和液化石油氣汽車使用 得更廣泛一些。另外，還有正在研究階段的太陽能汽車，以及在設想中的核能汽車 等新能源汽車。但是從資源的角度和現(xiàn)在發(fā)展狀況看，電動汽車是最具生命力的。 隨著社會的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲存、氫的社會供應等技

17、術難題會 逐漸解決。各大公司都已建立了電動汽車批量生產(chǎn)的總裝配生產(chǎn)線。據(jù)說，戴姆 勒一克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動車路試工作已結束，2002年將投 入商業(yè)化生產(chǎn)。估計到2010年，世界燃料電池汽車的年產(chǎn)量可達100萬輛，占世 界汽車總產(chǎn)量的1,左右。科技部秘書長石定寰介紹說，2001年我國啟動實施“863計劃”電動汽車重大 專項以來，燃料電池汽車及相關技術研發(fā)在“九五”攻關基礎上有了顯著提高，并 帶動起一批研發(fā)、生產(chǎn)基地的建設。一年多來，中國燃料電池轎車及城市客車整車 集成技術發(fā)展迅速，新一輪性能樣車開發(fā)基本完成;在燃料電池發(fā)動機方面，山單 純的電堆研究轉向系統(tǒng)集成和產(chǎn)業(yè)化技術研究，

18、將供給方式山“氫一氧”發(fā)展到 “氫一空”方式，成功研制出輸出功率30kw-50kw燃料電池發(fā)動機產(chǎn)品樣品機。 另外，我國在燃料電池質子膜、氫的儲存制備和氫能基礎設施建設研究等方面也都 有一定突破，整車開發(fā)產(chǎn)業(yè)化方案初見端倪。上海不僅制定了切實可行的燃料電池 轎車總體方案，還制定了階段性LI標明確的節(jié)點開發(fā)計劃。根據(jù)預測，燃料電池汽 車商品化進入市場將在2010年.自2002年起，神力公司為清華大學的燃料電池大巴研制了三代（第一代50kw, 第二代60kw,第三代100kw）發(fā)動機。凈輸出功率100KW最大穩(wěn)定輸出功率120KW峰值輸出功率130KW電壓300-480V（可以根據(jù)用戶要求調整）電

19、流0-400A能量轉化效率45%-52%燃料 存儲方式 高圧鋁內膽、碳纖維纏繞環(huán)氧樹脂浸漬的儲氫罐燃料類型氣態(tài)氫操作環(huán)境環(huán)境溫度0-50?相對濕度0-93%工作溫度60-80?工作壓力常壓物理特性長寬高1040mmX680mmX690mni*2重量560kg （不包括驅動電機）噪聲76dB從中我們可以看出其性能是十分優(yōu)良的.我認為電動汽車前景肯定會好,它的優(yōu)勢十分明顯：1. 無污染，噪聲低電動汽車無內燃機汽車工作時產(chǎn)生的廢氣，不產(chǎn)生排氣污染，對環(huán)境保護和空 氣的潔凈是十分有益的，有”零污染的美稱。眾所周知，內燃機汽車廢氣中的 CO、HC及N0X、微粒、臭氣等污染物形成酸雨酸霧及光化學煙霧.電動

20、汽車無內燃 機產(chǎn)生的噪聲，電動機的噪聲也較內燃機小。2. 能源效率高，多樣化電動汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機汽車，特別是在城市運行，汽 車走走停停，行駛速度不高，電動汽車更加適宜。電動汽車停止時不消耗電量，在 制動過程中，電動機可自動轉化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再利用。另一方面，電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油 用于更重要的方面。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽 能、風力、潮汐等能源轉化。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電 高峰，有利于電網(wǎng)均衡負荷，減少費用。3. 結構簡單，使用維修方便電動汽車較內燃機汽車結構簡單，運

21、轉、傳動部件少，維修保養(yǎng)工作量小，當 采用交流感應電動機時，電機無需保養(yǎng)維護，更重要的是電動汽車易操縱。初期的電動汽車因電池組體積大、續(xù)駛里程短、使用不方便、成本高等缺點， 無法與技術已經(jīng)成熟的內燃機汽車相比。要想發(fā)展電動汽車必須在技術上解決比能 量、比功率、壽命、成本以及研發(fā)經(jīng)費等各種難題。到了 20世紀90年代，電動汽 車技術有了顯著的進步。如燃料電池的比功率從1997年的0（16kW/kg,提高到2000年的0(47kw/kg,提高了近3倍。燃料電池，尤其是以氫為原料的質子交換膜 燃科電池(PEMFC),成了電動汽車發(fā)展的希望。我覺得LI前燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化至少有三大困難要克服：一是成本問題。由于要用到貴金屬Pt,因此成本