燃料電池汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）燃料電池汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用PAGE4摘要隨著全球新一輪的能源危機(jī)，燃料電池的商業(yè)化已被提到了前所未有的高度，而作為石油消耗量最大的汽車(chē)，也必須加緊新的燃料電池汽車(chē)的研發(fā)和商業(yè)化。燃料電池汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一種，其電池的能量是通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過(guò)燃燒，直接變成電能的。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車(chē)輛是無(wú)污染汽車(chē)，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車(chē)是一種理想的車(chē)輛。近幾年來(lái)，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車(chē)制造廠，如戴姆勒－克萊斯勒、福特、豐田和通用汽車(chē)公司早在2004年以前就計(jì)劃將燃料電池汽車(chē)投向市場(chǎng)。目前，燃料電池轎車(chē)的樣車(chē)正在進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車(chē)在北美的幾個(gè)城市中正作為示范項(xiàng)目在運(yùn)行。在開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化、提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)燃料處理器等。目前一些以燃料電池為動(dòng)力的汽車(chē)制造廠，都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進(jìn)步。關(guān)鍵詞：燃料電池、電動(dòng)汽車(chē)、環(huán)境保護(hù)燃料電池汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用王人杰Y066001081緒論1.1引言隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了全球機(jī)械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)、交通等方面的發(fā)展。但是，汽車(chē)在造福于人類(lèi)的同時(shí)，也帶來(lái)了很大的弊端。內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)造成的污染日益嚴(yán)重，尾氣、噪聲和熱島效應(yīng)對(duì)環(huán)境造成的破壞．已經(jīng)到了必須加控制和治理的程度；特別在一些人口稠密、交通擁擠的大中城市．情況更為嚴(yán)重。例如在我國(guó)上海市，1995年市中心城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)的C0、HC、No排污負(fù)荷分別占該區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的排放總量的76％、93％和44％；如不采取措施．預(yù)計(jì)到2010年機(jī)動(dòng)車(chē)排污負(fù)荷將進(jìn)一步上升到94％、98％和75％。而且，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)是以燃燒油料、天然氣等寶貴的資源為動(dòng)力．而這些資源同時(shí)又是重要的、不可再生的化工原料．作為燃料直接燒掉是極大的浪費(fèi)。按照目前的消耗速度，石油、天然氣等資源僅僅能再維持?jǐn)?shù)十年的時(shí)間。顯然，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)造成的環(huán)境污染以及對(duì)資源的消耗，極大地威脅著人類(lèi)的健康與生存。隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，新一代電動(dòng)車(chē)作為無(wú)污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。電動(dòng)車(chē)以電力驅(qū)動(dòng)，行駛時(shí)無(wú)排放(或低排放)．噪聲低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高得多。同時(shí)．電動(dòng)汽車(chē)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(可以直接利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、顯示和控制)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)．安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。電動(dòng)車(chē)的發(fā)明可以追溯到1834年，距今已有一百多年歷史。在其開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中．曾經(jīng)于19世紀(jì)末在歐美等地區(qū)達(dá)到一個(gè)高潮．但后來(lái)由于內(nèi)1.3特點(diǎn)燃料電池的特點(diǎn)為高效率、低噪音、低污染等，其將燃料中的化學(xué)能“直接”轉(zhuǎn)換成電能的作功原理，不同于一般的發(fā)電機(jī)將化學(xué)能（或輻射能）轉(zhuǎn)換成熱能之后，再轉(zhuǎn)換成動(dòng)能推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力等需要經(jīng)過(guò)多重的能量轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換效率上限不受“卡諾循環(huán)（Ｃａｒｎｏｔｃｙｃｌｅ）”的限制，所以可以很高。燃料電池若依操作溫度區(qū)分，可大分類(lèi)為低溫燃料電池（160－220℃）、中溫燃料電池（200－750℃）及高溫燃料電池（750－2燃料電池的工作原理2.1燃料電池的工作原理圖2.1燃料電池的工作原理燃料電池的基本原理如圖2.1所示，它的基本原件是二個(gè)電極夾著一層高分子薄膜作為電解質(zhì)。陰陽(yáng)兩極，除碳粉外也包含白金粉末，便于加快催化氧化反映。具體的過(guò)程如下：2.1.1陽(yáng)極氫分子氣體輸入被制成多孔結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極板，經(jīng)過(guò)質(zhì)傳到達(dá)陰極后，在催化下分解反應(yīng)：H2→2H++2e-電子由陽(yáng)極導(dǎo)向外接電路，形成電流。而氫離子也由陽(yáng)極端，透過(guò)可導(dǎo)離子性質(zhì)（電子絕緣體）的高分子薄膜電解質(zhì)，抵達(dá)陰極。2.1.2陰極空氣輸入陰極，氧氣分子質(zhì)傳到陰極，與電子及氫離子起電化學(xué)反應(yīng)，而產(chǎn)生水及1.229伏特的電壓。反應(yīng)如下：O2+4H++4e-→2H2O2.2燃料電池的基本組成燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、電解質(zhì)隔膜（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ）與集電器（ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｌｌｅｃｔoｏｒ）等。2.2.1電極燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與還原劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。電極主要可分為兩部分，其一為陽(yáng)極（Ａｎｏｄｅ），另一為陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ），厚度一般為２００－５００ｍｍ；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡(jiǎn)稱ＳＯＦＣ）的Ｙ２Ｏ３－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ－ＺｒＯ２（簡(jiǎn)稱ＹＳＺ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡(jiǎn)稱ＭＣＦＣ）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡(jiǎn)稱ＰＡＦＣ）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡(jiǎn)稱ＰＥＭＦＣ）的白金電極等。2.2.2電解質(zhì)隔膜電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個(gè)發(fā)展方向，其一是先以石棉（Ａｓｂｅｓｔｏｓ）膜、碳化硅ＳｉＣ膜、鋁酸鋰（ＬｉＡｌＯ３）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹(shù)脂（例如ＰＥＭＦＣ）及ＹＳＺ（例如ＳＯＦＣ）。2.2.3集電器集電器又稱作雙極板（ＢｉｐｏｌａｒＰｌａｔｅ），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。2.3燃料電池的分類(lèi)燃料電池主要分為以下幾種：2.3.1質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCells—PEMFC)該電池的電解質(zhì)為離子交換膜，薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑（如白金），其兩側(cè)分別供應(yīng)氫氣及氧氣。由于PEM燃料電池的唯一液體是水，因此腐蝕問(wèn)題很小，且操作溫度介于80℃～100℃2.3.2堿性燃料電池(AlkalineFuelCells—堿性燃料電池的設(shè)計(jì)與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)基本相似，但其電解質(zhì)為穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。操作時(shí)所需溫度并不高，轉(zhuǎn)換效率好，可使用的催化劑種類(lèi)多且價(jià)格便宜，例如銀、鎳等。但是，在最近各國(guó)燃料電池開(kāi)發(fā)中，卻無(wú)法成為主要開(kāi)發(fā)對(duì)象，其原因在于電解質(zhì)必須是液態(tài)，燃料也必須是高純度的氫才可以。目前，這種電池對(duì)于商業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴，其主要為空間研究服務(wù)，包括為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。2.3.3磷酸型燃料電池(PhosphoricAcidFuelCells—因其使用的電解質(zhì)為100％濃度的磷酸而得名。操作溫度大約在150℃～220℃2.3.4熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCells—其電解質(zhì)為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽。在電極方面，無(wú)論是燃料電極還是空氣電極，都使用具有透氣性的多孔質(zhì)鎳。操作溫度約為600℃～700℃2.3.5固態(tài)氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells—其電解質(zhì)為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩(wěn)定度較高，不需要催化劑。一般而言，此種燃料電池操作溫度約為1000℃2.3.6直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCells—直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇在陽(yáng)極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，然后如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。這種電池的工作溫度為120℃2.3.7再生型燃料電池（RegenerativeFuelCells—RFC）再生型燃料電池的概念相對(duì)較新，但全球已有許多研究小組正在從事這方面的工作。這種電池構(gòu)建了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫，而是將燃料電池中生成的水送回到以太陽(yáng)能為動(dòng)力的電解池中分解成氫和氧，然后將其送回到燃料電池。目前，這種電池的商業(yè)化開(kāi)發(fā)仍有許多問(wèn)題尚待解決，例如成本，太陽(yáng)能利用的穩(wěn)定性等。美國(guó)航空航天局（NASA）正在致力于這種電池的研究。2.3.8鋅空燃料電池(Zinc－airFuelCells—利用鋅和空氣在電解質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。鋅空燃料電池的最大好處是能量高。與其他燃料電池相比，同樣的重量，鋅空電池可以運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，地球上豐富的鋅資源使鋅空電池的原材料很便宜。它可用于電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子和軍事領(lǐng)域，前景廣闊。目前MetallicPower和PowerZinc公司正在致力于鋅空燃料電池的研究和商業(yè)化。2.3.9質(zhì)子陶瓷燃料電池(ProtonicCeramicFuelCells—這種新型燃料電池的機(jī)理是：在高溫下陶瓷電解材料具有很高的質(zhì)子導(dǎo)電率。ProtoneticsInternationalInc.正在致力于這種電池的研究。2.4質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，簡(jiǎn)化了水和電解質(zhì)管理。PEMFC具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，所以理所當(dāng)然的成為了新一代電動(dòng)汽車(chē)的電能來(lái)源，作為對(duì)于本篇論文的需要，在這里將詳細(xì)的介紹質(zhì)子交換膜燃料電池。2.4.1質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展歷史質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展歷史起源于20世紀(jì)60年代初美國(guó)的GE公司為NASA研制的空間電源．采用的是1kW的PEMFC作為雙子星座宇宙飛船的輔助電源，盡管PEMtE的性能表現(xiàn)良好，但是由于當(dāng)時(shí)該項(xiàng)技術(shù)處于起步階段，仍存在許多問(wèn)題，如功率密度較低(<50roW／era2)；聚苯乙烯磺酸膜的穩(wěn)定性較差，壽命僅為50Oh左右；鉑催化劑用量太高等．因此在以后的Apollo計(jì)劃等空問(wèn)應(yīng)用中，NASA選用了當(dāng)時(shí)技術(shù)比較成熟的堿性燃料電池，使得PEMFC技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作一度處于低谷。1962年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出新型性能優(yōu)良的全氟磺酸膜，即Nafim~系列產(chǎn)品，1965年GE公司將其用于PEMFC，使電池壽命大幅度延長(zhǎng)。但是由于鉑催化劑用量太高和Nation膜的價(jià)格昂貴以及電池必須采用純氧氣作為氧化劑，使得PEMFC的開(kāi)發(fā)長(zhǎng)時(shí)間是以軍用為目的，限制了該項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，以軍事應(yīng)用為目的的研制與開(kāi)發(fā)，使得PEMFC技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。以美國(guó)、加拿大和德國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資開(kāi)展PEMFC技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。使得PEMFC技術(shù)日趨成熟。20世紀(jì)90年代初期，特別是近幾年，隨著人們對(duì)日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題認(rèn)識(shí)加深，PEM—Fc技術(shù)的開(kāi)發(fā)逐漸由軍用轉(zhuǎn)向民用，被認(rèn)為是第四代發(fā)電技術(shù)和汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的最有希望的替代者。2.4.2質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是PEMFC的核心部件。作為一種厚度僅為50～180um的極薄膜片，質(zhì)子交換膜是電池電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)(催化劑)的基底。其主要功能是在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過(guò)性，即只容許氫離子或質(zhì)子（質(zhì)子是一種帶1.6×10-19庫(kù)侖(C)正電荷的次原子粒子，質(zhì)量是938百萬(wàn)電子伏特(MeV)，即1.6726231×10-27kg，大約是電子質(zhì)量的1836.5倍。質(zhì)子屬于重子類(lèi)，由兩個(gè)頂夸克和一個(gè)底夸克通過(guò)膠子在強(qiáng)相互作用下構(gòu)成。）透過(guò)，而不容許氫分子及其它離子透過(guò)。同時(shí)具有適度的含水率，對(duì)電池工作過(guò)程中的氧化、還原和水解反應(yīng)具有穩(wěn)定性。質(zhì)子交換膜具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合等性能．目前在PEMFC研制開(kāi)發(fā)中應(yīng)用最多的質(zhì)子交換膜是美國(guó)杜邦(DuPont)公司的全氟磺酸型膜(Nation)。另外美國(guó)的Dow化學(xué)公司、日本的Asahi公司，以及加拿大BallardpowerSystems公司也公布研制出新的質(zhì)子交換膜。但目前并未公開(kāi)投放市場(chǎng)。當(dāng)前市場(chǎng)質(zhì)子交換膜的價(jià)格還相當(dāng)昂貴，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸型膜(Nation)的價(jià)格是800美元／m2。加拿大BaUardPowerSystems公司宣布其研制的質(zhì)子交換膜的目標(biāo)價(jià)格是l10～l50加元／m2。但是，何時(shí)能達(dá)到這一目標(biāo)還是個(gè)未知數(shù)。質(zhì)子交換膜的價(jià)格是制約PEM燃料電池發(fā)展和推廣應(yīng)用的重大障礙之一。2.4.3催化劑PEMFC陽(yáng)極反應(yīng)為氫的氧化反應(yīng)，陰極為氧的還原反應(yīng)。為了加快電化學(xué)反應(yīng)的速度，陰極和陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散電極上都占有一定量的催化劑。目前主要采用貴金屬Pt作為電催化劑，它對(duì)于兩個(gè)電極反應(yīng)均具有催化活性，而且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。由于Pt的價(jià)格昂貴、資源匱乏，使得PEMFC的成本居高不下，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。2.4.4質(zhì)子交換膜燃料電池的組成7底板2、6密封襯片3、5電流收集片4膜電機(jī)組件圖2.2質(zhì)子交換膜燃料的組成3燃料電池在汽車(chē)上的應(yīng)用3.1燃料電池電池堆在電動(dòng)汽車(chē)上的基本結(jié)構(gòu)圖3.1燃料電池堆在電動(dòng)汽車(chē)上的基本結(jié)構(gòu)3.2燃料電池控制系統(tǒng)如圖3.1所見(jiàn)，獨(dú)立的燃料電池堆是不能應(yīng)用于汽車(chē)的，它必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水／熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能控制各種開(kāi)關(guān)和泵的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)才對(duì)外輸出功率，燃料供給和循環(huán)系統(tǒng)在提供燃料的同時(shí)回收陽(yáng)極尾氣中未反應(yīng)的燃料。目前最成熟的技術(shù)是以純氫為燃料，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅由氫源、減壓閥和循環(huán)回路組成。燃料電池的功率密度隨氧氣壓力的增大而升高。如果用常壓空氣作為氧化荊，則會(huì)造成PEMFC尺寸大、制造成本高。所以目前主要采用提高空氣供給壓力(現(xiàn)在一般是3atm)的方法，但空氣壓縮機(jī)的寄生功率又降低了PEMFC的功率輸出。電池內(nèi)部的水／熱管理是燃料電池的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是決定電池性艟的關(guān)鍵。如圖所示，產(chǎn)物水首先通過(guò)燃料電池堆的反應(yīng)區(qū)冷卻電堆本身，在冷卻過(guò)程中水蒸氣被加熱至燃料電池的工作溫度。被加熱的水再與反應(yīng)氣體接觸，起到增濕的效果。除了在增濕過(guò)程中反應(yīng)氣體帶走部分熱量外，還需一個(gè)水／空氣熱交換器，將水中多余的熱量帶走，從而防止系統(tǒng)熱量積累，造成電池溫度過(guò)高?？刂葡到y(tǒng)則根據(jù)負(fù)載對(duì)電池功率的要求，或隨電池工作條件(壓力、溫度、電壓等)的變化，對(duì)反應(yīng)氣體的流量壓力水／熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速等參數(shù)進(jìn)行控制，保證電池正常有效的運(yùn)行。該控制系統(tǒng)包括多種功能不同的閥件、傳感器和水、熱、氣調(diào)節(jié)控制裝置，及其相應(yīng)的管路和控制軟件。隨著電堆技術(shù)的日趨成熟，控制系統(tǒng)將成為決定燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能和制造成本的瓶頸。必須對(duì)這些零部件進(jìn)行系統(tǒng)的耐久性和安全性研究，并且制定適合車(chē)輛應(yīng)用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為此，Polarongroup提出一系列具有商業(yè)價(jià)值的PEMFc控制系統(tǒng)部件。針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主要研究熱點(diǎn)還包括：使用輕質(zhì)材料，提高燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率；提高PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)快速冷啟動(dòng)能力；研究具有負(fù)荷跟隨能力的燃料處理器；把二次電池，超級(jí)電容或氫氣存儲(chǔ)一起考慮進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的效率和調(diào)峰能力，并可回收制動(dòng)能量等。3.3DC/DC變換器由于燃料電池在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程及結(jié)構(gòu)上的特性所確定，當(dāng)其輸出電流變化時(shí)，其輸出電壓波動(dòng)較大。在燃料電池加載的起始階段，其電壓Ufc下降較快．在起始階段之后，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，其電壓下降率仍比普通電池大得多，因而燃料電池的輸出特性相對(duì)較軟．此外，燃料電池的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)決定了若其輸出功率波動(dòng)較大，將會(huì)導(dǎo)致其效率下降與傳統(tǒng)汽車(chē)相似，燃料電池汽車(chē)應(yīng)具備良好的機(jī)動(dòng)性，以應(yīng)對(duì)不同工況，例如：上坡、下坡、超車(chē)加速、轉(zhuǎn)彎減速、紅綠燈啟或停、面對(duì)障礙物的緊急制動(dòng)，等等．為了滿足機(jī)動(dòng)性的要求，驅(qū)動(dòng)燃料電池汽車(chē)的功率應(yīng)具有較大的波動(dòng)范圍，這與燃料電池的輸出特性偏軟且其輸出功率不宜頻繁波動(dòng)是相矛盾的。因此基于以上的分析，若以燃料電池作為直接驅(qū)動(dòng)電源，則因其輸出特性偏軟，不能滿足高效驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的需求．為此必須在燃料電池之后接入輸出特性較硬的DC/DC變換器，即由燃料電池和DC/DC變換器組成一個(gè)統(tǒng)一電源—燃料電池汽車(chē)電源，由其負(fù)責(zé)對(duì)整車(chē)供電。為了覆蓋功率波動(dòng)范圍并提高峰值功率，以改善輸出功率的瞬態(tài)特性，在燃料電池汽車(chē)電源中可引入超級(jí)電容和輔助電池．超級(jí)電容是區(qū)別于普通電容的一種新型電容，其容量可高達(dá)數(shù)千法拉，且容量密度較高，從而既可保持電源輸出穩(wěn)定，又能使燃料電池始終保持較高的能源轉(zhuǎn)換效率，并容許在較短時(shí)間內(nèi)以大電流對(duì)其進(jìn)行充放電．為了進(jìn)一步提高燃料電池汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性和可靠性，還可引入輔助電池．綜上所述，可給出如圖3.2所示的燃料電池汽車(chē)電源結(jié)構(gòu)框圖，圖中箭頭表示能量流動(dòng)的方向．圖3.2燃料電池汽車(chē)電源結(jié)構(gòu)圖所以對(duì)于燃料電池輸出特性偏軟，而燃料電池汽車(chē)需要的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)有較大的波動(dòng)，因此一個(gè)轉(zhuǎn)換效率高、輸出特性硬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單從而質(zhì)量較輕的DC／DC變換器也將是燃料電池汽車(chē)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。3.4輔助電池質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于汽車(chē)上時(shí)，由于前面提到的它在啟動(dòng)性和響應(yīng)性等上面的問(wèn)題，必須有一套輔助的電源機(jī)構(gòu)為它服務(wù)。除了DC/DC變換器和超級(jí)電容外，還需要一個(gè)輔助電源來(lái)支持。目前，最有希望成為PEMFC汽車(chē)的輔助電池的有氫鎳電池和鋰離子電池。3.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的主要電機(jī)有以下幾種：3.5.1永磁電機(jī)由于永磁材料、電力電子學(xué)和控制技術(shù)的發(fā)展，使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面取得顯著的進(jìn)步。D．Howe等指出，永磁電機(jī)因不需要用電流勵(lì)磁就能建立磁場(chǎng)，故可提高效率，在同步電機(jī)中也省去滑環(huán)和電刷，提高可靠性。由于節(jié)省了放勵(lì)磁繞組這部分的空間，因此可使電機(jī)尺寸減小。永磁材料的使用可使電機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)許多新的品種，例如盤(pán)式電機(jī)，外轉(zhuǎn)子電機(jī)，這種電機(jī)動(dòng)態(tài)特性好，可以做成高速電機(jī)。汽車(chē)中使用的電機(jī)以永磁電機(jī)為主，今后的發(fā)展有兩個(gè)傾向：一是進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用面，例如油門(mén)和氣門(mén)的控制；二是無(wú)刷化，即無(wú)刷直流電機(jī)和無(wú)刷交流伺服電機(jī)。3.5.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般均采用永磁體勵(lì)磁，沒(méi)有電刷和換向器的接觸，故不需要維護(hù)，可靠性好，壽命長(zhǎng)，也沒(méi)有由于火花引起的電磁波干擾問(wèn)題，近年來(lái)發(fā)展很快。通常無(wú)刷直流電機(jī)的氣隙磁通密度分布為梯形，因此需要其定子相電流應(yīng)為方波．保證其轉(zhuǎn)矩的恒定。但不可能絕對(duì)做到方波，因此要采用許多措施。有不少學(xué)者都針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的波動(dòng)問(wèn)題提出各種措施。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般需要轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用最多的是霍耳傳感器。傳感器的存在使電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)提高，也降低了可靠性，因此有不少學(xué)者提出無(wú)位置傳感器的新結(jié)構(gòu)，主要思路是利用反電勢(shì)換向由于反電勢(shì)是正比于轉(zhuǎn)速的，因此在起動(dòng)瞬間和低速時(shí)不好利用它，一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路解決起動(dòng)問(wèn)題。另一種方法是從與三極管并聯(lián)的續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。新的發(fā)展趨勢(shì)是采用定子電流波形．從中找出轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)。3.5.3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣、調(diào)速特性優(yōu)良得到電工技術(shù)界的重視，研究工作在以下幾方面進(jìn)行。a）變磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子極弧長(zhǎng)對(duì)工作特性的影響。分析了確定極弧長(zhǎng)度的原則，分析了電機(jī)靜態(tài)特性隨弧長(zhǎng)的變化、影響、給出了合理弧長(zhǎng)的范圍。對(duì)變磁阻電機(jī)的鐵損進(jìn)行精確的估算。作者采用了非線性的電磁場(chǎng)方法，預(yù)測(cè)了磁通在電機(jī)不同部位的非正弦分布，采用富氏分析，求出磁密中交流分量的波形，計(jì)算了磁滯、渦流損耗。指出大部份的鐵損主要在定子鐵心中，為減少鐵損，必須減少磁密變化的幅值。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)噪聲源之一，有的作者采用非線性方法對(duì)電機(jī)特性進(jìn)行了計(jì)算．揭示電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響．分析了轉(zhuǎn)子外徑、鐵心長(zhǎng)度，氣隙長(zhǎng)度，線圈匝數(shù)，定、轉(zhuǎn)子極弧尺寸等，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響．為指導(dǎo)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。b)新型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)主要表現(xiàn)在有兩篇文章同時(shí)對(duì)雙饋開(kāi)關(guān)電機(jī)的討論上，特別有特色。文章指出，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)簡(jiǎn)單可靠，但采用定子上只單一繞組勵(lì)磁，使得除產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩分量電流外，還要支持激磁電流，使開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的變流裝置容量增大。同時(shí)有功與無(wú)功不能分別控制．為使電機(jī)進(jìn)入高度飽和狀態(tài)，只得減小氣隙，這又易引起噪聲及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題近年來(lái)繞線式異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)引起人們興趣，因?yàn)樗艽蟠鬁p少變流器容量(變流器在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需處理滑差功率SP)．但它要求采用滑環(huán)和電刷，使可靠性大為降低，叉增加了維護(hù)費(fèi)用。如果將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子采用兩套繞組供電，一套由電網(wǎng)，一套由變流裝置，則改變變流器供電頻率及相序，就可使變磁阻電機(jī)在同步速上、下可調(diào)．其功率因數(shù)可像電勵(lì)磁同步電機(jī)一樣可控．變流器容量又小。這樣，它具有雙饋電機(jī)長(zhǎng)處，又無(wú)刷．故又稱無(wú)刷雙饋調(diào)速電機(jī)，是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的最新發(fā)展。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一些困難的研究焦點(diǎn)，如三維有限元分析．噪聲的分析與控制．系統(tǒng)的整體仿真及其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立和力矩的準(zhǔn)確控制等，依然有待廣大研究者的進(jìn)一步努力。3.5.4特種電機(jī)特種電機(jī)的范圍很廣，如直線電機(jī)、超聲波電機(jī)等。其中超聲電機(jī)(ultrasonicmotor，縮寫(xiě)USM)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使彈性體(定子)在超聲頻段產(chǎn)生微觀機(jī)械振動(dòng)(振動(dòng)頻率在20kHz以上)，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)之間的摩擦作用，將定子的微觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(dòng)(或直線運(yùn)動(dòng))。它打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機(jī)的概念。而FengGuihog教授等人提出一種新的調(diào)速電機(jī)，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。其定子磁勢(shì)是步進(jìn)式的，定子電流是直流的，因此這種電動(dòng)機(jī)叫做SDM．這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制和驅(qū)動(dòng)線路使用的元件數(shù)很少，很有發(fā)展前景。以上的四種電機(jī)都將可能成為未來(lái)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前看來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)的可能性最大，主要因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)可靠性好，壽命長(zhǎng)，也沒(méi)有由于火花引起的電磁波干擾問(wèn)題。況且其技術(shù)較為成熟，量產(chǎn)化后成本也可以降低，所以市場(chǎng)化應(yīng)該沒(méi)有什么大的問(wèn)題，同時(shí)也可以降低燃料電池汽車(chē)的價(jià)格。而特種電機(jī)這在未來(lái)有很大的發(fā)展?jié)摿?，主要因?yàn)槌曤姍C(jī)等特種電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、轉(zhuǎn)矩／質(zhì)量比大(是傳統(tǒng)電機(jī)的3～10倍)；低速大扭矩，無(wú)需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)；響應(yīng)快(毫秒級(jí))；斷電自鎖；在閉環(huán)條件下速度和位置控制性好，分辨率高；不產(chǎn)生磁場(chǎng)，不受外界磁場(chǎng)干擾；容易做成直線型超聲電機(jī)；形狀可以多樣化(圓的、方的、空心的、桿狀的)，等等。因此，超聲電機(jī)等特種電機(jī)技術(shù)在20世紀(jì)末期得到迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。3.6燃料電池汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)前隨著環(huán)保，節(jié)能等要求不斷的嚴(yán)峻，汽車(chē)輕量化已經(jīng)是汽車(chē)界的主攻方向。而燃料電池汽車(chē)更要求在汽車(chē)設(shè)計(jì)上做到盡可能的輕量化。主要原因在于以下幾點(diǎn)：a)燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程不夠長(zhǎng)，所以輕量化可以幫助增加行駛里程。目前燃料電池汽車(chē)的價(jià)格還是太高，所以輕量化可以幫助降低高額的成本。b)輕量化的設(shè)計(jì)可以促進(jìn)新材料的開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化等新技術(shù)。所以，汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)是勢(shì)在必行的。汽車(chē)輕量化主要考慮的方向有兩方面，一種是使用新材料制造車(chē)身或在原有的基礎(chǔ)上增加新材料的比重。另一種則是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上優(yōu)化或徹底采用新的結(jié)構(gòu)方面。在采用新的材料方面，世界各大汽車(chē)制造廠商紛紛將目光投向了高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、玻璃纖維增強(qiáng)塑料等新型材料上?，F(xiàn)在最多應(yīng)用的是鋁合金和高強(qiáng)度鋼材（2005年為11.5%和56.7%），同時(shí)還有逐年上升的趨勢(shì)。在結(jié)構(gòu)上，美國(guó)通用公司采用了新型的管材結(jié)構(gòu)來(lái)制造車(chē)架，不但減輕了車(chē)身的重量還增加了車(chē)架的強(qiáng)度。而德國(guó)大眾公司的奧迪車(chē)型更是采用了蜂窩鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得鋁合金材料在車(chē)身上得到了極大的利用，同時(shí)蜂窩鋁結(jié)構(gòu)使得鋁合金的強(qiáng)度是毫不低于同結(jié)構(gòu)的鋼制材料。作為21世紀(jì)的新型汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)必定會(huì)采用上面所說(shuō)的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)制造，以便于做到上面所說(shuō)的幾點(diǎn)原因。3.7燃料電池汽車(chē)氫燃料的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸PEMFC的燃料來(lái)源是燃料電池車(chē)輛(FCV)實(shí)用化過(guò)程中一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。常用的儲(chǔ)氫方法有：氣態(tài)壓縮儲(chǔ)氫液態(tài)儲(chǔ)氫．金屬氫化物儲(chǔ)氫；其它如碳納米管和碳晶須等儲(chǔ)氫材料技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。高壓氣罐儲(chǔ)氫雖然存在儲(chǔ)氫密度小、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用昂貴，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等問(wèn)題，但目前還是燃料電池車(chē)常用的最簡(jiǎn)便儲(chǔ)氫方法。如果以車(chē)載碳?xì)浠_(tái)物重整制取氫燃料，則結(jié)構(gòu)要相對(duì)復(fù)雜，其中至少要包括一個(gè)燃料處理器，對(duì)燃料或燃料與水的混合物進(jìn)行重整，使之轉(zhuǎn)化為富含氫氣的混合氣體(H2、CO、H：O、少量CO)。由于催化劑Pt易被CO毒化，還要采用相應(yīng)措施如水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，選擇氧化反應(yīng)器，或氫氣分離膜等技術(shù)來(lái)除去CO。采用具有燃料適應(yīng)性的車(chē)載重整技術(shù)可以利用現(xiàn)有的常規(guī)燃料和替代燃料基礎(chǔ)設(shè)施以甲醇為燃料的PEMFC開(kāi)發(fā)是近幾年的研究熱點(diǎn)，它又分為甲醇重整PEMF℃和直接甲醇燃料電池(DMFc)甲醇和汽油最有可能成為FCV市場(chǎng)化初期和中期采用的車(chē)載燃料，從而其車(chē)載重整技術(shù)也就成為發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。雖然常溫下為液態(tài)的甲醇可以方便燃料的存儲(chǔ)運(yùn)輸和添加，且較易實(shí)現(xiàn)車(chē)載重整。但甲醇有毒，對(duì)環(huán)境和人身安全影響很大；汽油車(chē)載重整主要是利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，但其重整所需溫度高，技術(shù)和裝置過(guò)于復(fù)雜，而且其從油井到車(chē)輪的效率還不及使用汽油機(jī)的混合動(dòng)力車(chē)(HEV)：另外，燃料電池易被硫所毒化，汽油除硫的代價(jià)也相當(dāng)大。汽油車(chē)載重整發(fā)展前景并不明朗。目前有幾種開(kāi)發(fā)出的新的儲(chǔ)氫方式，一種是歐洲ECDOvonic公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，據(jù)該公司BenjaminChao博士介紹，該金屬氫化物系統(tǒng)的技術(shù)核心在于能迅速吸收氫氣的晶粉狀金屬合金。當(dāng)金屬氫化物吸收氫氣時(shí)，系統(tǒng)將釋放出熱量。相反地，當(dāng)它們吸收熱量時(shí)，就釋放出可作為汽車(chē)能源的氫氣。這一享有專(zhuān)利的固態(tài)氫儲(chǔ)存技術(shù)，將高含量、高純度氫儲(chǔ)存在低氣壓狀態(tài)下，具有高度安全性。并且，該系統(tǒng)可反復(fù)使用，即使經(jīng)過(guò)幾百次的充氫、放氫的循環(huán)，對(duì)其功能也幾乎沒(méi)有影響。ECDOvonic的低壓固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)在具體的實(shí)車(chē)測(cè)試中被證明是高效而可行的。在一項(xiàng)將豐田Prius混合動(dòng)力車(chē)（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)+蓄電池）改裝成以氫為動(dòng)力的混合動(dòng)力車(chē)的示范項(xiàng)目中，ECDOvonic的儲(chǔ)氫系統(tǒng)被采用。該儲(chǔ)氫系統(tǒng)的主要組成部分為儲(chǔ)氫罐和熱交換系統(tǒng)。一個(gè)用輕質(zhì)碳纖維包卷形成的儲(chǔ)氫罐，其內(nèi)部的容積為50L，所含的金屬氫化物可儲(chǔ)存約3kg的氫氣。整合的熱交換系統(tǒng)，在充氫氣過(guò)程中，需要將設(shè)在充氫站中的一個(gè)冷卻系統(tǒng)連接到儲(chǔ)氫容器上，以便達(dá)到散熱的功能。當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量經(jīng)由其冷卻系統(tǒng)傳到儲(chǔ)氫容器內(nèi)，其熱量足夠?qū)鋸膬?chǔ)氫合金材料中釋放出來(lái)，通過(guò)導(dǎo)管傳入發(fā)動(dòng)機(jī)里燃燒。另一種是三菱人造絲公司開(kāi)發(fā)的碳纖維高壓氫氣瓶。氫氣的制備才是決定了燃料電池汽車(chē)是21世紀(jì)新型汽車(chē)的根本。因?yàn)闅滟Y源在地球上儲(chǔ)量及其豐富，同時(shí)燃料電池工作時(shí)排出的廢棄物也是水，而水又能通過(guò)電解產(chǎn)生氫。所以可以說(shuō)氫資源是使之不盡、用之不竭的。而各國(guó)可以通過(guò)適合本國(guó)的方式來(lái)制氫。電解，化學(xué)提煉都可以制取氫氣。從電解方面看，可以通過(guò)使用核能或太陽(yáng)能風(fēng)能等發(fā)電廠發(fā)電來(lái)制取氫氣，而化學(xué)提煉方面，這可從甲醇、乙醇中提取。尤其是乙醇，乙醇是一種生物能源，它可以通過(guò)甘蔗等纖維植物來(lái)制取，同時(shí)廢棄物有可以作為再生資源來(lái)使用。總的來(lái)說(shuō)，氫氣制備方面的問(wèn)題比之氫氣儲(chǔ)存方面的問(wèn)題好解決得多。3.8國(guó)外燃料電池汽車(chē)的研究情況目前世界上有許多工業(yè)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、汽車(chē)制造商和一些政府機(jī)構(gòu)參與了汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)的研究，而他們的研究情況和結(jié)果如下表3.8所示。表3.1工業(yè)企業(yè)的主要研究活動(dòng)ArtherD.Litte公司設(shè)計(jì)和建造一種能夠處理汽油以及替代燃料乙醇的50Kw燃料處理器，同時(shí)將研制和試驗(yàn)一種專(zhuān)有的催化技術(shù)的50Kw高級(jí)優(yōu)先氧化裝置。AlliedSignal公司正在研制一個(gè)50Kw的PEM燃料電池系統(tǒng)，性能為12.5Kw（巡航狀態(tài)下）燃料效率為40%，功率密度為0.35Kw/L，批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格為100美元/Kw。德?tīng)柛Ｆ?chē)系統(tǒng)公司正在與寶馬公司研制一種新型的汽車(chē)燃料電池。能量伙伴公司正在發(fā)展一種50Kw低成本的高級(jí)PEM燃料電池堆桟和系統(tǒng)。國(guó)際燃料電池公司曾經(jīng)提供給福特公司一種50Kw/250V的1系統(tǒng)，功率密度為0.55Kw/L，在標(biāo)定功率下效率為50%。3M公司正在研究新型5膜片電極總成用于PEM燃料電池。表3.2研究機(jī)構(gòu)的主要活動(dòng)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）正在研制一種的部分氧化的重整器來(lái)轉(zhuǎn)化汽油以及替代燃料（甲醇、乙醇、天然氣和其它碳?xì)浠衔铮楹瑲錃怏w。氣體技術(shù)研究所正在研制一種低成本的鑄模的分離板，它能顯著降低PEM燃料電池堆桟的成本。LawrenceBerkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)正在研究一種正極催化劑。新型催化劑將要求提供濃度為0.1%的一氧化碳允許量。表3.3政府機(jī)構(gòu)的主要研究活動(dòng)美國(guó)能源部對(duì)運(yùn)輸用途的燃料電池的研制給予重要的經(jīng)濟(jì)資助。其十年計(jì)劃中許多工作是集中研究汽車(chē)PEM燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)性能。歐洲委員會(huì)在1993年通過(guò)JOULE計(jì)劃開(kāi)始資助運(yùn)輸用途的燃料電池技術(shù)的研究。目的計(jì)包括金屬膜片、PEM燃料電池和直接甲醇燃料電池高級(jí)堆桟研制。日本國(guó)際貿(mào)易資助燃料電池研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃已經(jīng)多年。PME燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)占和工業(yè)部總?cè)剂想姵匮芯拷?jīng)費(fèi)的90%表3.4汽車(chē)制造商的主要研究活動(dòng)寶馬（BMW）寶馬為EXPO2000國(guó)際博覽會(huì)的清潔能量項(xiàng)目投放了一批采用氫氣的PEM燃料電池汽車(chē)。目前寶馬的燃料電池汽車(chē)需要2倍原車(chē)油箱質(zhì)量和4-5倍的汽油油箱的容積用于液體氫氣儲(chǔ)存。福特(Ford)1998年曾展示了P2000燃料電池汽車(chē)，該車(chē)使用了DBB生產(chǎn)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率為60Kw，最高車(chē)速為144.8km/h，續(xù)駛里程為160.9km，原地起步加速到96.9km/h時(shí)間為14s。通用（GM）在1998年展示了一輛基于EV1電動(dòng)轎車(chē)混合動(dòng)力的燃料電池概念車(chē)，甲醇重整器放在轎車(chē)后部，而燃料電池布置在前排座位下，該車(chē)最高車(chē)速為128.7km/h，續(xù)駛里程為482.8km，原地起步加速到96.6km/h，時(shí)間為7s日產(chǎn)(Nissan)在1997年?yáng)|京汽車(chē)展上，展示了一輛由巴拉德生產(chǎn)的甲醇燃料電池與鋰離子電池組成混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的燃料電池概念轎車(chē)，日產(chǎn)稱將于2003年投入生產(chǎn)燃料電池汽車(chē)。雷諾(Renaule)1997年8月展示了一輛使用液態(tài)氫氣的燃料電池汽車(chē)，它使用3個(gè)燃料電池堆桟，續(xù)駛里程達(dá)500km。豐田（TOYOTA）1996年就研制了第一輛使用純氫的燃料電池汽車(chē)RAV4，1997年研制出第二輛使用重整甲醇的燃料電池汽車(chē)，該車(chē)的車(chē)身底盤(pán)和傳動(dòng)系與RAV4電動(dòng)汽車(chē)相同，燃料電池標(biāo)定功率為25kw，該車(chē)同樣組合了鎳金屬氫電池和一個(gè)再生制動(dòng)系統(tǒng)。大眾（Volkswagen）與其它公司共同承擔(dān)一項(xiàng)歐洲委員會(huì)計(jì)劃，研究一種使用重整甲醇的燃料電池汽車(chē)，系統(tǒng)在低功率需求時(shí)能提供多余能量給蓄電池組，并儲(chǔ)存能量可用于汽車(chē)加速。由上表可以看出國(guó)外在燃料電池汽車(chē)的研發(fā)上起步較早，同時(shí)已經(jīng)建立起一套完善的政企合作的研發(fā)模式，商業(yè)化的程度也很高，相信在不久的將來(lái)燃料電池汽車(chē)會(huì)很快的投入市場(chǎng)。3.9國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)的研究情況早在解放前，我國(guó)就在一些特殊的場(chǎng)合使用電瓶車(chē)(如電動(dòng)叉車(chē))作為短途運(yùn)輸工具；1958～1959年試制出我國(guó)第一輛電動(dòng)轎車(chē)；以后電動(dòng)車(chē)的發(fā)展經(jīng)所了三起三落的曲折歷程。從80年代末的情況看，主要是忽略了蓄電池的設(shè)計(jì)及其維護(hù)這個(gè)最重要的問(wèn)題．而把注意力放到了整車(chē)及其電動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。例如，車(chē)身設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮蓄電池的快速替換；對(duì)作為電動(dòng)車(chē)能源的蓄電池的性能、質(zhì)量、充電設(shè)備及其正確使用、維護(hù)都沒(méi)有作為關(guān)鍵問(wèn)題認(rèn)真解決，這帶來(lái)了一系列惡果：電動(dòng)車(chē)價(jià)格較高，使用電動(dòng)車(chē)有諸多不便，甚至不能正常使用；電動(dòng)車(chē)往往因?yàn)殡姵厥Ф崆皥?bào)廢。對(duì)電動(dòng)車(chē)，用戶是想用不敢用，廠商則因?yàn)樯a(chǎn)、銷(xiāo)售狀況不佳而不得不放棄生產(chǎn)。因此電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不快的主要原因仍然是電池的問(wèn)題。進(jìn)入90年代以后，基于能源、環(huán)保以及發(fā)展經(jīng)濟(jì)的需要我國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展電動(dòng)車(chē)．世界各國(guó)研制電動(dòng)車(chē)及其蓄電池的熱潮也促進(jìn)了我國(guó)電動(dòng)車(chē)研制工作的開(kāi)展。我國(guó)屬于石油資源短缺的國(guó)家，目前已經(jīng)成為了石油進(jìn)口國(guó)．發(fā)展電動(dòng)車(chē)能充分利用我國(guó)比較豐富的水力、風(fēng)力等資源以解決汽車(chē)發(fā)展與石油資源短缺之間的矛盾，因此發(fā)展電動(dòng)車(chē)是合理利用資源的需要。發(fā)展電動(dòng)車(chē)也是環(huán)保的需要。目前我國(guó)的環(huán)境污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，這不僅嚴(yán)重地危害人民健康，還嚴(yán)重地影響了中國(guó)的國(guó)際形象，不利于我國(guó)招商引資的進(jìn)行，因此必須提高到政治和改善投資環(huán)境的高度看待環(huán)保問(wèn)題。發(fā)展電動(dòng)車(chē)能大大減少汽車(chē)尾氣排放，是環(huán)保的一個(gè)重要方面。發(fā)展電動(dòng)車(chē)還必然會(huì)促進(jìn)我國(guó)高新技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)車(chē)是集電子技術(shù)、控制技術(shù)、材料、工藝、汽車(chē)技術(shù)和電源技術(shù)等于一體的高新科技綜合體．電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)研制必然會(huì)為這些技術(shù)的發(fā)展提供十分可觀的市場(chǎng)需求，刺激和促進(jìn)這些技術(shù)的發(fā)展。它為我國(guó)汽車(chē)工業(yè)提供了一個(gè)難得的機(jī)遇與挑戰(zhàn)：如果以電動(dòng)車(chē)用電源技術(shù)為突破口，掌握未來(lái)汽車(chē)的核心技術(shù)．我們就能擁有自主的、先進(jìn)的汽車(chē)工業(yè)，而不會(huì)再淪為外國(guó)汽車(chē)的銷(xiāo)售市場(chǎng)。我國(guó)廣大人民群眾對(duì)發(fā)展電動(dòng)車(chē)也有要求。包括北京在內(nèi)的許多大城市，小轎車(chē)已經(jīng)逐步進(jìn)入家庭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年以來(lái)，私人轎車(chē)增長(zhǎng)速度為43％，成為轎車(chē)市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)的主要購(gòu)買(mǎi)力量。而在其它一些人民生活水平還較低的較小城市，對(duì)自行車(chē)、摩托車(chē)有很大需求。另外，在某些特殊的場(chǎng)合，還會(huì)用一些特殊的電動(dòng)車(chē)，如目前蘇南地區(qū)自發(fā)興起的年產(chǎn)值8000萬(wàn)元的電動(dòng)三輪車(chē)市場(chǎng)。人們盼望著能擁有廉價(jià)、安全舒適、清潔的各種車(chē)輛，對(duì)電動(dòng)車(chē)已經(jīng)有了一定的需求。由于發(fā)展電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)可以在改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)約能源的同時(shí)成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，我國(guó)政府已經(jīng)把電動(dòng)車(chē)技術(shù)列入“八五科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家“九五”重大科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目，全國(guó)有關(guān)工廠企業(yè)、高等院校、幾個(gè)省市地方從事整車(chē)開(kāi)發(fā)的有五六家。從事蓄電池、電動(dòng)機(jī)等專(zhuān)業(yè)部門(mén)研究的有幾十家，1987年成立了中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車(chē)輛研究會(huì)，多次組織了國(guó)內(nèi)、國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)．出版了許多資料，有效地指導(dǎo)和推動(dòng)了我國(guó)的電動(dòng)車(chē)事業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)的電動(dòng)車(chē)及其相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方面取得了很大進(jìn)展。1989年初，深圳三星技術(shù)研究所曾試制成功以日產(chǎn)“陽(yáng)光”牌小轎車(chē)為基礎(chǔ)的四座電動(dòng)車(chē)；1991年浙江溫州的葉豐電動(dòng)車(chē)廠試制成功五座混合電動(dòng)車(chē)；1993年上海新聯(lián)電動(dòng)車(chē)公司與新聯(lián)電動(dòng)車(chē)研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)成功首發(fā)使用鎘鎳、金屬氫化物鎳電池的電動(dòng)車(chē)；1994年北京有色金屬研究總院也開(kāi)發(fā)出車(chē)用金屬氫化物鎳電池組并成功地在電動(dòng)三輪車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)上示范運(yùn)行；1993年成都科技大學(xué)與重慶電機(jī)廠合作，為美國(guó)休斯公司設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)主電機(jī)，并于當(dāng)年裝配在美國(guó)電動(dòng)車(chē)輛上，1994年又為美國(guó)提供了300臺(tái)，成為美國(guó)電動(dòng)車(chē)主電機(jī)的中國(guó)最大供貨商；1994年，河北長(zhǎng)安勝利汽車(chē)有限公司在原國(guó)防科工委組織領(lǐng)導(dǎo)下，引進(jìn)美國(guó)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)成功Yw6120型50座的“遠(yuǎn)望牌城市公交車(chē)”；1995年上海國(guó)際汽車(chē)工業(yè)展覽會(huì)上，首次集中展出了我國(guó)研制的電動(dòng)車(chē)輛，引起了國(guó)內(nèi)外參觀者的濃厚興趣；1999年6月，河北長(zhǎng)安勝利汽車(chē)有限公司又開(kāi)發(fā)成功SL6700型20座的“遠(yuǎn)望”牌電動(dòng)客車(chē)；1999年10月在北京舉行的第十六屆國(guó)際電動(dòng)車(chē)學(xué)術(shù)會(huì)議暨展覽會(huì)上，北京、上海、成都、山東、河南、廣東、湖北等眾多電動(dòng)車(chē)、電池制造廠家也推出了最能代表自己特點(diǎn)的最新電動(dòng)車(chē)整車(chē)及相關(guān)配套產(chǎn)品參加展覽。大連化學(xué)物理研究所將于今年組裝以純氫為燃料的30kWPEMFC為動(dòng)力的中巴車(chē)，并計(jì)劃研制以甲醇重整制氫為燃料的FCEV。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛的研制已處于樣車(chē)試制階段。目前，國(guó)內(nèi)有許多廠商生產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)并已經(jīng)投放市場(chǎng)；在汕頭南澳開(kāi)辟了電動(dòng)汽車(chē)示范區(qū)，有17輛電動(dòng)汽車(chē)在進(jìn)行試車(chē)，為制定有關(guān)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；另?yè)?jù)報(bào)道，2000年7月3日4燃料電池存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)4.1燃料電池汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)目前，在對(duì)燃料電池汽車(chē)研究過(guò)程中有兩種設(shè)想：(1)圍繞先進(jìn)技術(shù)重新開(kāi)發(fā)定義汽車(chē)，探索未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展之路；(2)研究如何把燃料電池技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的車(chē)型上。如果依然按照原有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于燃料電池汽車(chē)，則不可避免會(huì)產(chǎn)生不合理的地方，這就需要在設(shè)計(jì)燃料電池汽車(chē)的過(guò)程中進(jìn)行全新的嘗試和探索。美國(guó)科羅拉多州的洛基山研究所(RMI)首先提出了針對(duì)未來(lái)汽車(chē)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：不參照現(xiàn)有的汽車(chē)設(shè)計(jì)模式；清楚完整定義產(chǎn)品的需要；整體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；強(qiáng)調(diào)輕量化和高效的制造平臺(tái)。如果說(shuō)不參照現(xiàn)有的汽車(chē)設(shè)計(jì)模式是一個(gè)起點(diǎn)的話，那么整體化的設(shè)計(jì)則是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的策略。整體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念，就是在設(shè)計(jì)汽車(chē)的過(guò)程中不僅僅對(duì)單個(gè)部件的優(yōu)化，更重要的是在設(shè)計(jì)之初對(duì)整個(gè)汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，就是在原有的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和優(yōu)化汽車(chē)的部分組件，并非全盤(pán)改變汽車(chē)構(gòu)造等方面。汽車(chē)是一種復(fù)雜的組合體，事實(shí)上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)：綜合和協(xié)同優(yōu)化在真正設(shè)計(jì)時(shí)由于種種原因難以做到，各個(gè)參數(shù)的配合也有很大出入，整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性成倍增加。造成以上諸多不利因素的主要原因是在設(shè)計(jì)之初就缺少一種整體的大局觀——整體設(shè)計(jì)。整體化設(shè)計(jì)的好處在一開(kāi)始往往并不能顯現(xiàn)出來(lái)，它所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)在系統(tǒng)相互影響過(guò)程中會(huì)慢慢顯現(xiàn)出來(lái)。如超輕量化的材料本身是相當(dāng)昂貴的，這也是許多汽車(chē)生產(chǎn)商不愿采用的主要原因。但是，如果從整體來(lái)看，當(dāng)超輕量化的材料取代鋼鐵作為車(chē)身和底盤(pán)的主要材料時(shí)，有些部件被重新合并組合，裝配時(shí)將變得更易操作，加工的費(fèi)用也降低，這樣在材料上多花的費(fèi)用在其他部分得到補(bǔ)償。不僅如此，在這種設(shè)計(jì)理念中，材料的輕量化和空氣動(dòng)力學(xué)的充分利用被放在了最重要的位置。因?yàn)槠?chē)在行駛過(guò)程中，燃料消耗所產(chǎn)生的能量中，只有一小部分是真正被用來(lái)推動(dòng)汽車(chē)和乘客的，大部分的能量都通過(guò)熱量的損失、滾動(dòng)阻力、空氣阻力及控制系統(tǒng)的低效率等被消耗掉，其間，汽車(chē)本身的質(zhì)量和空氣動(dòng)力學(xué)因素起著很重要的作用。在整體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)質(zhì)量的減輕是：輕量化的車(chē)身只需要更輕的底盤(pán)組件，更小的動(dòng)力總成；而一些組件的相互聯(lián)系和組合，不但可以減少體積重量，甚至可以摒棄原先組件，進(jìn)一步減小系統(tǒng)的質(zhì)量。依據(jù)洛基山研究所提出的設(shè)計(jì)理念，在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和知識(shí)工程等支持下，Hypercar有限公司設(shè)計(jì)了一種超級(jí)高效并具有成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的中型運(yùn)動(dòng)型多功能概念車(chē)——超級(jí)汽車(chē)(Hyper—ear)。通過(guò)重新設(shè)計(jì)汽車(chē)的各個(gè)部件及其制造流程，從根本上提升原材料和能源效用這一新的汽車(chē)概念。Hypercar汽車(chē)采用極輕的碳纖維復(fù)合材料作為車(chē)身材料，增加了一些新的組件，如電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)氫罐等，摒棄了離合器、飛輪、差速器等，更注重汽車(chē)凈質(zhì)量的變化。在一個(gè)輕量化的制造平臺(tái)下，動(dòng)力總成變得更加精簡(jiǎn)而且制造費(fèi)用也將減少。較低的迎風(fēng)阻力，混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，零件的高效使用等各方面共同整合后獲得一種最佳效果。正是在這種全新設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，通用汽車(chē)公司推出了Sequel燃料電池車(chē)，該車(chē)把氫燃料電池技術(shù)、輪轂電機(jī)、線傳操控等最新技術(shù)集于一身，徹底打破了傳統(tǒng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)。Sequel燃料電池汽車(chē)將所有的控制組件都安裝在1個(gè)28mm厚的底盤(pán)結(jié)構(gòu)上，3個(gè)氫氣罐平行放置于底盤(pán)的板下。剎車(chē)及轉(zhuǎn)向控制器置于氫氣罐的兩側(cè)，燃料電池動(dòng)力總成則放置于汽車(chē)前部。平板底盤(pán)的設(shè)計(jì)，使得SUV汽車(chē)的重心和一輛普通轎車(chē)的重心一樣高，提高了汽車(chē)的穩(wěn)定性和安全性。為了解決燃料電池的冷卻問(wèn)題，設(shè)置了功能各異的進(jìn)氣口，均布置在車(chē)輛側(cè)面的后排座椅窗和后窗的連接部下方。Sequel燃料電池車(chē)采用線傳操控系統(tǒng)，以電線和制動(dòng)器來(lái)代替機(jī)械及液壓系統(tǒng)，把來(lái)自駕駛者的命令轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)所需的操作。制動(dòng)、加速與操縱性能都得到了全方位提高。線傳操控技術(shù)還能提高安全性，維護(hù)簡(jiǎn)單。線傳操控?zé)o需儲(chǔ)備液壓油，也無(wú)需使用制動(dòng)液。正是通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)，重新開(kāi)發(fā)定義汽車(chē)，使燃料汽車(chē)無(wú)論在穩(wěn)定性、操作方便性及駕乘安全性方面都比現(xiàn)有車(chē)輛結(jié)構(gòu)更勝一籌。但是，相對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)只有在其日常費(fèi)用所能承受范圍之內(nèi)的前提下，才能體現(xiàn)其零污染、不消耗石油和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。于是在提高燃料電池汽車(chē)性能的同時(shí)，降低燃料電池汽車(chē)的制造成本，使之盡快市場(chǎng)化，應(yīng)成為燃料電池汽車(chē)今后發(fā)展的重點(diǎn)。Se—quel燃料電池汽車(chē)，雖然其擁有良好的性能，但生產(chǎn)成本較大，要真正做到量產(chǎn)投向市場(chǎng)需要相當(dāng)一段時(shí)間。4.2燃料電池汽車(chē)存在的問(wèn)題燃料電池汽車(chē)目前存在的最主要的問(wèn)題還是成本問(wèn)題，而限制其成本無(wú)法降低的主要因素還是在于燃料電池。由于燃料電池的電極是以Pt作為催化劑，而Pt不但是一種貴金屬，而且在世界上的儲(chǔ)量還相當(dāng)少，照現(xiàn)在全世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)每年6000萬(wàn)輛的生產(chǎn)量，Pt的儲(chǔ)量根本不可能跟得上。雖然Pt可以回收，但這樣又會(huì)增加成本。所以尋找一種替代品是迫在眉睫的事，目前稀有金屬鈀最有可能替代