燃料電池與汽車概要

1、燃料電池與汽車工業(yè)化，信息化快速發(fā)展的今天， 汽車已不再是一種富貴的象征。汽車的話題儼然成了我們每個(gè)人的談話的內(nèi)容?？赡闶欠裣氲揭粋€(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題：如果石油枯竭了，汽車將怎么辦？隨著世界能源危機(jī)的持續(xù)，以及戰(zhàn)爭(zhēng)和能源-石油的消耗及汽車飽有量的增加，能源在一天一天下降，終有一天它會(huì)消失的無(wú)影無(wú)蹤。石油不是在生資源。所以必須在石油耗凈之前找到一種代替品?；蛟S我們根本沒(méi)考慮到，但科學(xué)家已經(jīng)解決的這個(gè)問(wèn)題。那就是燃 料電池汽車。首先來(lái)介紹下什么是燃料電池，它有別于我們?nèi)粘Ｓ玫降母呻姵?。燃料電池是將所供?料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過(guò)連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具

2、有發(fā)電效率高， 適應(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在積極地進(jìn)行開發(fā)。由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，因此，它沒(méi)有像普通火力發(fā)電廠那樣的通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化， 可避免過(guò)程中轉(zhuǎn)換損失， 達(dá)到市制發(fā)電效率。 此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1部分負(fù)荷時(shí)也能保持高的效率；（2）通過(guò)與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料；（3）由于輸出功率單位由堆的輸出功率決定，故機(jī)組容量具有 自由度；（4）電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好；（5）NOX及 SOX等的排出量少，有利環(huán)保。燃料電池通常是按構(gòu)成的電解質(zhì)來(lái)分類?，F(xiàn)在開發(fā)最為盛行的有4種燃料電池。各種燃料電池，特別是其動(dòng)作溫度不相同，最先進(jìn)行

3、開發(fā)的磷酸型燃料電池（PAFC約在200 C的溫度下動(dòng)作。相對(duì)于此，熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC和固體氧化物燃料電池均可應(yīng)用在以石燃料為基本燃料的電廠內(nèi)，可作為電力電源來(lái)利用。高溫型燃料電池又可稱之為是通過(guò)利用其高質(zhì)量排氣，來(lái)面向復(fù)合發(fā)電的燃料電池。燃料電池是將所供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過(guò)連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具有發(fā)電效率高， 適應(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在積極地進(jìn)行開發(fā)。燃料電池通常是按構(gòu)成的電解質(zhì)來(lái)分類?，F(xiàn)在開發(fā)最為盛行的有4種燃料電池。各種燃料電池，特別是其動(dòng)作溫度不相同，最先進(jìn)行開發(fā)的磷酸型燃料電池（PAFC約在200

4、C的溫度下動(dòng)作。相對(duì)于此，熔融碳酸鹽型燃料電池（ MCFC 和固體氧化物燃料電池均可應(yīng)用在以石燃料為基本燃料的電廠內(nèi)，可作為電力電源來(lái)利用。 高溫型燃料電池又可稱之為是通過(guò)利用其高質(zhì)量排氣，來(lái)面向復(fù)合發(fā)電的燃料電池。由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，因此，它沒(méi)有像普通火力發(fā)電廠那 樣的通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化， 可避免過(guò)程中轉(zhuǎn)換損失， 達(dá)到市制發(fā)電效 率。此外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）部分負(fù)荷時(shí)也能保持高的效率；（2）通過(guò)與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料；（3）由于輸出功率單位由堆的輸出功率決定，故機(jī)組容量具有自由度；（4）電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好；（5） NOX及

5、SOX等的排出量少，有利環(huán)保。基于燃料電池的優(yōu)點(diǎn)及優(yōu)良特性，轉(zhuǎn)而發(fā)明了燃料電池汽車。什么是燃料電池汽 車？燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種，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，直接變成電能或的。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， 因此燃料電池車輛是無(wú)污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高23倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。燃料電池汽車的氫燃料能通過(guò)幾種途徑得到。有些車輛直接攜帶著純氫燃料，另 外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體。單個(gè)的燃料電池 必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車輛使用的要求。近

6、幾年來(lái)，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車制造廠，如戴姆 勒-克萊斯勒、福特、豐田和通用汽車公司已經(jīng)宣布，計(jì)劃在2004年以前將燃料電池汽車投向市場(chǎng)。目前，燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn)，以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn) 輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器和輔助部汽車 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。與傳 統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、零排放或近似零排放。2、減少了機(jī)油泄露帶來(lái)的水污染。3、降低了溫室氣體的排放。4、提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。5、提高了

7、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。6、運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)噪聲。2000年的第一輪燃料電池汽車試運(yùn)行高潮過(guò)后，世界各國(guó)對(duì)燃料電池汽車的投入，已從建造示范汽車重新回到加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。因?yàn)榭茖W(xué)家冷靜地認(rèn)識(shí)到，燃料電池汽車要走向商業(yè)化，必定是一場(chǎng)需要厚積薄發(fā)的長(zhǎng)跑”2006年8月17日，是我國(guó)燃料電池汽車研制進(jìn)程中一個(gè)特別的日子，由中科院大連 化學(xué)物理研究所等自主研發(fā)的兩輛燃料電池觀光示范車，在大連市的星海廣場(chǎng)投入了交車的試運(yùn)行，中國(guó)的燃料電池汽車又前進(jìn)了重要的一步。然而，比起幾年前 超越2號(hào)”燃料電池汽車等競(jìng)相亮相時(shí)的情景，此次在大連的燃料電池 汽車的試運(yùn)行似乎顯得冷清得多，沒(méi)有媒體大篇幅的報(bào)道，也沒(méi)有引起圈內(nèi)專家和坊間

8、百姓 過(guò)多的討論。科學(xué)家對(duì)此顯得頭腦異常地清醒：此次它在大連的試運(yùn)行，主要的目的之一，是為了讓公眾提高對(duì)燃料電池汽車的認(rèn)識(shí)，知道一個(gè)淺顯的基本道理， 雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)全球性的石油高價(jià)位局面，但即便將來(lái)世界上一滴汽油都沒(méi)有了，我們還能用氫源燃料電池開車。這也是為將來(lái)燃料電池產(chǎn)業(yè)化所作的一個(gè)輿論準(zhǔn)備。另一個(gè)目的，就是考核燃料電池的壽命?！辈皇前倜讻_刺，而是厚積薄發(fā)的長(zhǎng)跑”氫源燃料電池汽車要真正走向商業(yè)化不是百米沖刺，而是厚積薄發(fā)的長(zhǎng)跑?！敝袊?guó)工程院院士、大連化學(xué)物理研究所燃料電池工程中心總工程師衣寶廉，談到燃料電池汽車的未來(lái)走向感慨地說(shuō)，這是經(jīng)過(guò)一連串的實(shí)驗(yàn)、試運(yùn)行得出的結(jié)論。燃料電池是一種高效、

9、 環(huán)境友好的發(fā)電裝置， 它可以直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學(xué) 能轉(zhuǎn)化為電能。衣寶廉院士介紹，世界上第一輪燃料電池汽車研發(fā)高潮在2000年左右，當(dāng)時(shí)，美國(guó)、歐洲和日本的各大汽車生產(chǎn)廠家，無(wú)不都在加緊開發(fā)燃料電池技術(shù)，企業(yè)界尤其是各大汽車生產(chǎn)廠家看到燃料電池巨大的市場(chǎng)潛力，紛紛投入巨資，組成聯(lián)盟，進(jìn)行燃料電池車的相關(guān)研究、試驗(yàn)與生產(chǎn)。各大汽車公司，包括奔馳、通用、豐田等都認(rèn)為，到2004年燃料電池車將能夠批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。戴姆勒一克萊斯勒甚至宣稱， 預(yù)計(jì)屆時(shí)燃料電池汽車的售價(jià)將降至每臺(tái)約1萬(wàn)8100美元。美國(guó)能源部長(zhǎng)佩耶1998年在接受紐約時(shí)報(bào)的采訪時(shí)也作出自己如意的預(yù)測(cè)：燃料電池進(jìn)入家庭、

10、 汽車和其他領(lǐng)域的步伐將比人們的想象要快得多。我國(guó)關(guān)于燃料電池車研究的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈。長(zhǎng)期從事氫源燃料電池研究的中科院大連化物所，早在上個(gè)世紀(jì) 90年代初期，就開始對(duì)氫源質(zhì)子交換膜燃料電池的研究。1996年底，這一研究得到國(guó)家科技部、中科院、國(guó)家自然基金委的經(jīng)費(fèi)支持，并在國(guó)家九五”計(jì)劃中立項(xiàng)。2000年，大連化物所研發(fā)出第一臺(tái)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，并與中科院電工 所、二汽集團(tuán)合作，組裝出了一臺(tái)燃料電池中巴車，于2001年進(jìn)行了試運(yùn)行。隨后不久，又組裝了一臺(tái)30千瓦功率的燃料電池中巴車。 當(dāng)時(shí)，我們?cè)S多人都樂(lè)觀地估計(jì)，燃料電池 汽車已經(jīng)到了產(chǎn)業(yè)化的前夕?！背筮B化物所外，至 2004年，國(guó)內(nèi)

11、在北京、上海等地，陸續(xù)出現(xiàn)了燃料電池汽車的試運(yùn)行，當(dāng)時(shí)許多人同樣懷有迎接臨盆嬰兒般的喜悅期待：燃料電池汽車已經(jīng) 接近 走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)行量產(chǎn)的大門”。然而，事實(shí)卻并非預(yù)料中的那么樂(lè)觀。2003年7月，最早將燃料電池汽車投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)之一的日本豐田汽車公司，召回了其出租的6輛燃料電池汽車，并宣布推遲另外6輛燃料電池汽車的租賃。 原因是儲(chǔ)存氫燃料的高壓氫氣罐，它在加注氫氣時(shí)出現(xiàn)了泄漏。幾乎與此同時(shí)，各個(gè)國(guó)家都在燃料電池汽車的試運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)了一系列防不勝防、需要馬上就解決的難題。目前，國(guó)際社會(huì)關(guān)于燃料電池汽車未來(lái)的預(yù)測(cè)是，要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化至少要到 2015之后”，第二次試運(yùn)行高潮將出現(xiàn)在2010年左右。可以

12、說(shuō)，2004年左右實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的預(yù)測(cè)以失敗告終，但世界各國(guó)對(duì)燃料電池汽車研究 的熱情有增無(wú)減。世界范圍內(nèi)已經(jīng)燒掉了幾百億美元，市場(chǎng)潛力又十分巨大，誰(shuí)也不愿意就此停頓下來(lái)?！弊鳛槲覈?guó)燃料電池研究的第一代親歷者，衣寶廉院士相當(dāng)感慨。當(dāng)前，國(guó)際上燃料電池汽車又進(jìn)入了第二輪研究，與早些年的熱血沸騰、 躊躇滿志相比，現(xiàn)在人們對(duì)燃料電池車的研究持更加冷靜的態(tài)度。2000年之前，各國(guó)主要是投入造車和示范，從2001年到現(xiàn)在，各國(guó)在繼續(xù)進(jìn)行示范的同時(shí)，都將重點(diǎn)重新轉(zhuǎn)向應(yīng)用基礎(chǔ)研究。希 望通過(guò)研究燃料電池各種基礎(chǔ)性的問(wèn)題，找到解決車用燃料電池壽命問(wèn)題的根本辦法。（例如研究氫能本身的技術(shù)問(wèn)題、制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)、高效的

13、氫能轉(zhuǎn)換技術(shù)等。）即找到解決車用燃料電池（汽車的動(dòng)力源）動(dòng)態(tài)響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性與降低貴金屬擔(dān)量等影響電池壽命、成本的辦法。質(zhì)子交換膜燃料電池具有可在室溫下快速啟動(dòng)、負(fù)載響應(yīng)快的特點(diǎn)，成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域如電動(dòng)汽車等和各種可移動(dòng)電源的最佳候選者。它作為燃料電池汽車最為核心、最為重要的部件，其實(shí)關(guān)鍵也就在那一張膜，現(xiàn)在科研人員希望研究出增強(qiáng)的、自增濕的，在中溫 120攝氏度左右的復(fù)合質(zhì)子交換膜，以提高燃料電池的壽命和性能，包括如何解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)電池性能的影響等?！币聦毩菏空f(shuō)得比較專業(yè)”。記者在采訪中詢問(wèn)，燃料電池觀光車在大連試運(yùn)行，是否預(yù)示著它能于近期在全國(guó)推廣，無(wú)論是致力于燃料電池研究已30年的衣寶

14、廉院士，還是大連化物所燃料電池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任張華民研究員等，科學(xué)家們都顯得格外出奇的冷靜。張華民指出，燃料電池汽車要成為真正的商品，要與現(xiàn)在非常成熟的內(nèi)燃機(jī)車在各個(gè)方面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，必須解決壽命、成本、穩(wěn)定性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性等諸多問(wèn)題，其中最為關(guān)鍵的是壽命和成本問(wèn)題。壽命和成本，是在第二輪應(yīng)用基礎(chǔ)研究中，各個(gè)國(guó)家首先要早日解決的關(guān)鍵問(wèn)題?！币聦毩菏恳步榻B，對(duì) 2015年實(shí)現(xiàn)氫源燃料電池車商業(yè)化的第二次預(yù)測(cè)能否實(shí)現(xiàn)，解決以上 兩個(gè)問(wèn)題的時(shí)間表將起到?jīng)Q定性的作用。其中，擺在第一位的是在2010年左右能否解決電池壽命問(wèn)題，只有這個(gè)問(wèn)題得到徹底解決，燃料電池汽車才能走向成功，否則一切都無(wú)從談 起。但

15、如果燃料電池汽車的電堆動(dòng)態(tài)壽命能達(dá)到5000小時(shí)以上，接下來(lái)的降低成本，主要靠關(guān)鍵零部件的批量生產(chǎn)和降低鉑擔(dān)量，難度相對(duì)較低?，F(xiàn)在國(guó)際上每輛氫源燃料電池汽車的成本，一般在100萬(wàn)美元到200萬(wàn)美元之間，造價(jià)的確非常昂貴， 因?yàn)楝F(xiàn)在這些氫源燃料電池汽車的打造，基本都是人們用一雙雙手摳出來(lái)的，如果能實(shí)現(xiàn)流水線上的批量生產(chǎn)，成本自然而然也就降下來(lái)?？梢哉f(shuō)，解決壽命問(wèn)題是能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化最關(guān)鍵的判據(jù) ”。美國(guó)前總統(tǒng)布什曾推斷， 美國(guó)現(xiàn)在的小孩到了今后他們可以開車的年齡，可以方便地買到燃料電池汽車，而且在社區(qū)附近就可以加氫。關(guān)于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化期限，衣寶廉也頗有信心地認(rèn)為，可以用 5年的時(shí)間解決電池的

16、壽命問(wèn)題，再用5年的時(shí)間解決電池成本問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)很多汽車集團(tuán)對(duì)燃料電池很感興趣，但是投入工程放大至少需要幾千萬(wàn)元，一旦失敗，幾千萬(wàn)元就一去無(wú)返地打了水漂，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)在太大，一般都不敢輕易投入。我雖然同時(shí)身兼大連新源動(dòng)力董事長(zhǎng)，但公司的總共股本也就6000多萬(wàn)元，新源動(dòng)力不是不想冒著風(fēng)險(xiǎn)上項(xiàng)目，但它不是幾十萬(wàn)、 幾百萬(wàn)元的小打小鬧，若要投幾千萬(wàn)元就顯得力不從心，我也說(shuō)服不了公司各家股東拿這么多的錢來(lái)投?！币聦毩菏靠嘈Α４筮B化物所是新源動(dòng)力股份有限公司的主要股東，衣寶廉是新源動(dòng)力名義上的老板”又是大連化物所實(shí)際在編的人員，面臨如此棘手的兩難選擇，他無(wú)計(jì)可施也情有可原。以前發(fā)展燃料電池的投

17、資者主要是政府，而今公司已成為發(fā)展燃料電池、尤其是燃料電池電動(dòng)車的投資主體。世界上所有的大汽車公司與石油公司，均已介入燃料電池車的開發(fā)?！币聦毩谒麅赡昵熬帉懗霭娴娜剂想姵匾粫?，曾經(jīng)援引了下面這樣一組權(quán)威數(shù)據(jù)：短短幾年時(shí)間，投入約 80億美元，研制成功的燃料電池汽車達(dá)到41種，其中轎車/旅行車24種、城市間巴士 9種、輕載卡車3種。2003年美國(guó)又宣布了一個(gè)投資 25億美元的發(fā)展燃 料電池汽車的計(jì)劃(Freedom Car )，其中國(guó)家撥款 15億美元，三大汽車公司投資 10億按國(guó)家科技部的要求，參與燃料電池汽車“ 863重大專項(xiàng)計(jì)劃的科研攻關(guān)，每個(gè)重要的元部件都有兩個(gè)以上的單位參加競(jìng)爭(zhēng)。目前，我國(guó)主要為轎車提供燃料電池的，是新源動(dòng)力公