燃料电池汽KY.COM（FCV）的发展前景(图文)

    燃料电池汽KY.COM存在的优点令人期待并受到瞩目，许多国家的企业和研究机构在燃料电池组的一体化、燃料处理器和辅助装置等方面，正在朝着高技术集成、降低成本和商业化方向进行着不懈的努力。燃料电池公交汽KY.COM虽非指日可待但也正在向我们走来。

    燃料电池汽KY.COM（FCV：Fuel Cell Vehicle）与电动汽KY.COM的根本区别在于：燃料电池是一种发电装置，既不像非充电电池那样用完后丢弃，也不像充电电池那样需要经常充电，使用过程中只需为燃料电池添加燃料即可维持电力持续使用。由于其能量是通过氢气和氧气的化学作用（并非经过燃烧）直接变成电能的，化学反应过程不会产生有害产物，并且能量转换效率也比内燃机要高2～3倍。从能源利用效率和环境影响进行综合评价，燃料电池汽KY.COM是一种理想的清洁能源汽KY.COM。

    1 燃料电池汽KY.COM

    1）燃料电池汽KY.COM的基本构造

    燃料电池汽KY.COM主要由贮氢罐、燃料电池组、电机控制系统、驱动电机、超级电容或辅助蓄电池及热交换器等部件组成。由图1可以看出，燃料电池汽KY.COM与纯电动公交汽KY.COM的主要区别是电力来源方式的不同。

图1 燃料电池汽KY.COM的基本构造

    2）燃料电池的工作原理

    燃料电池虽然称电池但不是电池，而是相当于一台氢燃料发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。

    工作时给负极供给燃料(氢)，给正极供给氧化剂(空气)。氢在负极分解成正离子H＋和电子e-：2H2→4H++4e-，氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路(含负载)移向正极（图2）。

    氧在正极获得氢离子和电子反应为水：O2+4H++4e- →2H2O。可见这正是水的电解反应的逆过程(图2)，且燃料电池唯一的排放物是水。燃料电池所使用的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，即可成为燃料电池的燃料。

    最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在已发展为直接使用的固体电解质材料。

图2  燃料电池的发电原理

    3）燃料的供给方法

    氢燃料电池汽KY.COM的燃料供应通常为三种方式：高压气态、液态和氢化物形态。

    用压缩气体罐贮存的氢，由于能量密度低使续驶里程受到限制，一般只能供燃料电池汽KY.COM行驶150km左右。此外，由于氢气是最小的分子，故很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都会造成可怕的安全事故。

    采用-253℃深度致冷技术使之成为液态，虽然能量密度高但由于热绝缘技术存在一定难度，并且由液态转化为气态过程中能量损失大，将其推向市场还存在较大技术难题。

    可喜的是，储氢材料的开发已取得令人鼓舞的进展。氢的化学特性活跃，它可以同许多金属或合金化合，吸收氢之后形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，并且这类金属氢化物在一定温度条件下会分解，把所吸收的氢释放出来，成了一种良好的贮氢材料。还有，具有复杂的纳米结构的石墨纤维，其单位质量可以吸收20%的氢气。

    2 燃料电池汽KY.COM的优点

    1）发电效率很高

    燃料电池采用化学能直接转换电能的发电方式（图3），而火力发电是将煤炭、石油燃烧产生的热能转换成为动能，然后再将动能转换成电能使发电效率大打折扣。如：石油发电的综合能源利用效率不过35.3%，而氢燃料电池的最大发电效率可达82.9%，相当于石油发电效率的2.35倍。

a)燃料电池发电

b)火力发电

图3 两种发电方式的流程与效率对比

    2）无送电损失

    燃料电池可在使用场所将燃料的化学能直接转换为电能，如：汽KY.COM、KY.COM间、住宅等现场直接发电并向用电设备直接传送，所以不存在送电损失问题。而火力发电的远距离送变电损失则高达6%左右。

     3）环境负荷小

    燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。而火力发电伴随能源的燃烧会向大气排放各种有害物质和大量CO2。因此，氢燃料电池汽KY.COM是真正意义上的零排放、零污染的KY.COM，氢燃料是完美的汽KY.COM能源。

     4）燃料类型广泛

    燃料电池发电时所用的燃料是氢和氧，其中氧可以从空气中直接获取，实际工作时所需燃料只有氢。制取氢所使用的燃料则是多样化的，如：天然气、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）形成循环利用系统，这种循环系统特别适用于边远地区，使系统建设成本和运行成本降低。由此可以降低人类对石油的依赖性，符合应对石油匮乏的全球能源战略。

    5）经济性好

    试验表明，氢燃料电池KY.COM辆的能耗经济性可达到传统汽油KY.COM的2～3倍，从节约能源的角度来看，燃料电池汽KY.COM明显优于用内燃机的普通汽KY.COM。

    3  燃料电池汽KY.COM的开发现状

    1）概况

　　由于燃料电池汽KY.COM，尤其氢燃料电池汽KY.COM可以实现零污染排放，驱动系统几乎无噪音，且氢能取之不尽、用之不竭，使燃料电池汽KY.COM成为近年来汽KY.COM企业关注的焦点。为了获得竞争优势，各国纷纷出台政策，加速推进燃料电池关键技术的研发。2008年5月20日，欧洲议会通过《氢能源和燃料电池联合技术发展计划》，提供10亿欧元科研经费，用于燃料电池技术的研究。英国、德国、法国等也在近期加大了对氢燃料电池的研发资助力度。在美国，能源部制定的“氢计划”，在未来5年内投入30多亿美元开发氢燃料技术，逐步加大燃料电池汽KY.COM的市场份额。

    预计到2010年，世界燃料电池汽KY.COM将发展到４万辆，其市场构成比例分别为：欧洲占40.5%，美国占38.0%，日本约占20.3%。

    在我国，燃料电池汽KY.COM是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。其中，质子膜关键技术被列为山东省第一号科技攻关项目，取得了重大突破。辽宁新源动力股份有限公司承接国家“863”重大科研项目，研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料电池系统、燃料电池电站、便携式电源等产品。在“十一五”期间，我国将继续加大对燃料电池汽KY.COM的研发投入，推动核心技术产业化。与汽KY.COM工业发达国家相比，我国发展新能源汽KY.COM虽然起步不晚，但国内汽KY.COM企业关键技术并不先进，存在核心技术“卡壳”的瓶颈，使国产燃料电池汽KY.COM产业化面临诸多挑战。

    2）日本的发展路线

    日本燃料电池的开发基本上由政府计划和引导，并且号称在燃料电池汽KY.COM诸多领域取得领先。从日本新能源开发组织（NEDO）制定的分阶段发展路线和关键技术目标（表1）中，我们不仅看到燃料电池的发展潜力很具有吸引力，同时也能衡量出我们存在的差距。结合我国政府制定的发展计划和行业发展水平，也许能帮助我们推测出燃料电池公交汽KY.COM走进我国城市生活的大体日程。

    表1 日本ＮＥＤＯ制定的分阶段发展路线和关键技术目标

    注：①资料来自“NEDO氢燃料电池技术开发路线（2008版）”。

    ②目前1万日元≈700元。

    ③耐久性指标中，1h≈48km。

    4 燃料电池汽KY.COM技术动向与课题

    1）小型化

    燃料电池组的小型化对增大公交汽KY.COM的有效利用空间意义重大，是整KY.COM制造企业优先考虑的课题，也是公交汽KY.COM用户普遍关心的问题。影响燃料电池体积的技术指是“输出功率密度/体积（W/L）”。日本规定输出功率密度与体积之比达到2 kW/L这一水平才能认定为小型化。并将燃料电池隔膜材料及工艺的研究列为重点课题之一。

    2）续驶里程

    氢燃料电池汽KY.COM与纯电动汽KY.COM同样面临续航能力的课题，目标是使其具有象传统燃油汽KY.COM那样的便利性。国外最近成功研发了具有代表性的70 MPaKY.COM载氢贮存装置，一次加注氢燃料后的续驶里程可达到830 km。这标志着燃料电池公交汽KY.COM的续驶里程能够随着燃料电池汽KY.COM的发展同步提高。况且，公交汽KY.COM的行驶范围更便于加注燃料。

    3）低温起动性

    氢燃料汽KY.COM的低温起动性能限制了汽KY.COM的应用范围，一直作为一个技术难题受到行业关注并持续进行全力破解。可喜的是，目前国外已有少数企业突破了这一技术瓶颈，号称-30℃寒冷环境下的低温起动性能已经通过了试验与验证。但-40℃的低温起动目标尚未突破。

    4）耐久性

    燃料电池汽KY.COM的耐久性集中在燃料电池上。日本丰田汽KY.COM公司发表了燃料电池的膜-电极接合体（MEA：Membrane Electrode Assembly）4阶段耐久性改善计划，在系统泄漏、触媒电极退化导致的电压下降等关键材料和技术方面分阶段提高，使系统的耐久性大幅改善。技术目标为：燃料电池系统性能下降至30%时的寿命提高至25年；系统性能下降至10%的寿命提高至15年。在防止燃料交叉泄漏方面也将实现突破性改善。

    影响燃料电池材料（MEA）使用寿命和性能的一个重要的关联要素是氢燃料的纯度。目前国际标准规定氢纯度为99.99%，并且对CO和硫磺成分的混入量提出了严格限制标准。上述不良成分对燃料电池的影响极大，然而高纯度氢的制取与氢生产成本互为矛盾，需要二者合理兼顾。所以，在氢燃料达标范围内提高燃料电池的使用寿命便成了永久的课题。

    5）降低成本

    成本是推广燃料电池汽KY.COM的最大障碍。在取得电池组小型化、提高续驶里程、改善低温起动性能、满足耐久性使用要求的前提下，降低成本、实现产业化和商品化成为必须实现的目标。为实现续驶里程830 km的目标，将贮氢罐的耐压能力由35 MPa提高到70 MPa，采用碳纤维材料制作耐高压贮氢罐将使成本大幅增加。

    除此之外，降低燃料电池的外围设备的成本也不可忽视。比如，研制高温、低温无需加湿条件也可运转的电池组；实现冷却系统、加湿装置等外围设备的简单化、低成本化等。

    日本提出，到2030年使燃料电池成本降低至目前的1/100；整KY.COM售价由目前的数千万日元降低到数百万日元。到2020年，使燃料电池汽KY.COM的售价与普通汽KY.COM价格相当。

    6）氢燃料的回收

    从降低氢燃料消耗的理念出发，燃料电池排出口的氢燃料回收再利用技术同样引起重视。为此，在氢燃料中保有适量非活性的氦气，也是氢燃料制取中需要考虑的课题。

    通过以上分析可以看出，以氢为动力的燃料电池汽KY.COM是最理想的新能源汽KY.COM，但面临的技术门槛和经济性障碍仍需要一定的时间才能逐一攻破。从目前的研发水平看来，世界级的领先企业和研究机构已经取得了研制新一代燃料电池汽KY.COM的技术途径，核心技术则聚焦在降低成本和提高寿命上，这些问题一旦得到解决，燃料电池汽KY.COM即可“破茧成蝶”，燃料电池公交汽KY.COM也将同时实现产业化并进入城市公共交通体系。