問朋朋，黃明宇， 倪紅軍， 賈中實

(南通大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平得到很大提高，但是由于人們過度利用現(xiàn)代交通工具而造成化石能源危機和環(huán)境逐步惡化，進而威脅到汽車工業(yè)的發(fā)展?；诖朔N情形，尋求一種既能利用可再生能源而又不污染環(huán)境的新能源車受到國際社會的極大關(guān)注。燃料電池車是一種新能源車，它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點，從而成為汽車工業(yè)研發(fā)的熱點。本文介紹了燃料電池車的優(yōu)勢，綜述了國內(nèi)外燃料電池車的發(fā)展概況，側(cè)重從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其控制方面以及車載儲氫技術(shù)方面對燃料電池車的發(fā)展進行了展望。

1 燃料電池車的優(yōu)勢

燃料電池車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別和優(yōu)勢在于動力系統(tǒng)的不同，前者采用的是燃料電池系統(tǒng)作為動力源，后者采用的是內(nèi)燃機。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機和普通電池相比，燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，既可像電池一樣安靜、清潔地提供電力，又可像內(nèi)燃機一樣重新添加燃料。燃料電池由于電解質(zhì)不同而有各種類型，其中PEMFC是目前世界上最成熟的一種將可再生能源資源氫氣與空氣中的氧氣化合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)，實現(xiàn)了“零排放”，并且具有體積小、可靠性高、工作溫度低等許多優(yōu)點，被認為是第四代電源技術(shù)和汽車內(nèi)燃機最有希望的替代者，成為解決能源枯竭和環(huán)境污染問題的首選汽車動力源。目前，許多發(fā)達國家都在投巨資研究和發(fā)展PEMFC技術(shù)，我國政府也積極支持這方面研究，PEMFC發(fā)展前景廣闊，在汽車上的應(yīng)用已取得了較大的進展：加拿大的Ballard公司制造的燃料電池公共汽車已經(jīng)投入實際使用，而德國的奔馳汽車公司、日本的本田汽車公司和美國的通用汽車公司也相繼推出了燃料電池樣車，其它一些著名的汽車公司都積極致力于燃料電池汽車的開發(fā)研制工作[1-2]。目前世界上燃料電池車還處于試驗階段，還沒有正式大規(guī)模投入商業(yè)運營。

2 國內(nèi)外發(fā)展概況及展望

2.1 國內(nèi)發(fā)展概況

“十五”期間，我國設(shè)立了“863”電動汽車重大專項，把自主研發(fā)燃料電池汽車作為重點跨越領(lǐng)域?！笆晃濉逼陂g，我國制定了《中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖》，提出了包括氫能利用技術(shù)在內(nèi)的10個重要能源技術(shù)方向，針對此技術(shù)提出了不同時間節(jié)點的科技目標[3]：2010～2020年，燃料電池汽車尚處于研發(fā)示范階段與小規(guī)模商業(yè)化階段，2020年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車產(chǎn)量的1%，數(shù)量為15萬輛；2021～2035年，燃料電池汽車將處于商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，2030年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車產(chǎn)量的5%～8%，數(shù)量為百萬輛，總?cè)剂想姵仄嚤Ｓ辛窟_1000萬輛；2036～2050年，燃料電池汽車將處于商業(yè)化推廣應(yīng)用階段，2050年產(chǎn)量將占當(dāng)年汽車產(chǎn)量的三分之一，數(shù)量為千萬輛，總?cè)剂想姵仄嚤Ｓ辛窟_5000萬輛以上?！笆濉币?guī)劃提出要培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其中就包括新能源汽車產(chǎn)業(yè)。此外，2009年元月，我國科技部等四個部門共同啟動了“十城千輛”計劃，提出到2012年力爭使全國新能源汽車的運營規(guī)模占到汽車市場份額的10%。

在這些政策的引導(dǎo)下，自2003年以來我國相繼推出四代燃料電池車，它們的主要技術(shù)參數(shù)見表1[4-8]。

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2004年，我國臺灣明道大學(xué)成功研制出一種搭載5 kW質(zhì)子交換膜燃料電池的輕型燃料電池車“明道氫能車2號(MHV-2)”，該車的主要技術(shù)參數(shù)見表2[9]。

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2008年北京奧運會期間，有3輛燃料電池客車和20輛燃料電池轎車為奧運服務(wù)；2010年上海世博會期間，有196輛燃料電池汽車為世博服務(wù)，其中包括90輛燃料電池轎車(如圖1)、6輛燃料電池客車和100輛燃料電池觀光車。

圖1 服務(wù)于上海世博會的燃料電池轎車

此外，在國內(nèi)外著名車展上展出的新能源車，成為燃料電池車發(fā)展的一個風(fēng)向標，代表了國內(nèi)外現(xiàn)階段燃料電池車的發(fā)展狀況，如在第11屆北京車展上展出的長安志翔燃料電池轎車、一汽奔騰“B70FCV”等以及在第63屆法蘭克福車展上展出的奔馳“B-Class F-CELL”和第40屆東京車展上展出的本田“FCX CLARITY”。

2.2 國外發(fā)展概況

世界各大汽車制造商普遍認為，近期真正有可能取代傳統(tǒng)汽車的清潔交通工具，只能是FCV。近幾年，PEMFC汽車的發(fā)展趨勢超過了蓄電池電動汽車。美國《時代周刊》將燃料電池列為21世紀十大高科技之首，早在2002年出臺的“Freedom CAR”計劃，確定將使用燃料電池作為社會的主要能源，首先在汽車產(chǎn)品上使用[10]。這幾年受金融危機的影響，美國政府的政策有些調(diào)整，在這方面速度放緩，但在燃料電池的基礎(chǔ)研究和整車研究方面仍有所重點的繼續(xù)開展研究，如美國總統(tǒng)奧巴馬在2011年3月30日表示，從2015年開始，美國聯(lián)邦政府將僅采購純電動、混合動力或其他新能源汽車作為政府用車。美國、歐洲和日本的汽車制造商都還在加緊研發(fā)燃料電池車，下面主要以本田、奔馳、通用和現(xiàn)代汽車公司研發(fā)的燃料電池車為例對國外燃料電池車的發(fā)展概況進行闡述。

本田從1999年開始相繼推出六款燃料電池車，它們的主要規(guī)格與技術(shù)參數(shù)見表3[11-12]。

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戴姆勒-奔馳在2005年北美車展上展出一款燃料電池概念車“B-Class F-Cell”，該車一次加氫續(xù)駛里程400 km，百公里綜合燃料消耗約合3.3 L柴油；該車設(shè)計了性能良好的冷卻系統(tǒng)和溫度管理系統(tǒng)，在冷車啟動或低溫啟動(即使溫度在－25℃的狀態(tài))時，溫度管理系統(tǒng)能夠讓電池組快速達到80℃的最理想工作溫度；當(dāng)車輛停止后，冷卻系統(tǒng)能夠為電池組立即散熱[13]。此外，奔馳新款B級F-CELL燃料電池車(圖2)亮相2011年上海車展，該車最大功率130馬力，最大扭矩290 N·m，最高時速170 km/h，總的續(xù)航里程380公里，每次充滿燃料僅需3 min，已經(jīng)足夠滿足相鄰兩座城市間的通勤需要；該車主要驅(qū)動部件位于三明治車身結(jié)構(gòu)的底部，這種布置不僅可以非常有效地保護驅(qū)動系統(tǒng)，而且降低了車身重心，節(jié)約了車身空間。

圖2 奔馳新款B級F-CELL燃料電池車

美國GM從1998年開始，相繼推出了三款燃料電池車，它們的主要技術(shù)參數(shù)見表4[14-16]。

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韓國現(xiàn)代汽車公司于2010年推出第三代燃料電池電動汽車，即“Tucson ix”FCEV，該車設(shè)置有100 kW燃料電池系統(tǒng)和2個儲氫罐，可在－25℃啟動，最高車速160 km/h，最大行程650 km。

2.3 發(fā)展展望

燃料電池車要實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)推廣應(yīng)用，還需解決很多問題，但隨著電池技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這些問題終將得到解決，燃料電池車將會很快走向商業(yè)應(yīng)用。下面從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其控制方面以及車載儲氫技術(shù)方面對燃料電池車的發(fā)展進行評述。

楊武[17]圍繞影響燃料電池系統(tǒng)效率的幾個主要因素，利用模型仿真技術(shù)，研究了提高燃料電池動力系統(tǒng)效率的措施及其效果，這些結(jié)論為研發(fā)高性能車用燃料電池動力系統(tǒng)指明了方向。CHEN Li-ming等[18]構(gòu)造了一個PEMFC動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下對其進行仿真研究，此研究為燃料電池車動力系統(tǒng)的過程設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。田玉冬等[19]研究了PEMFC系統(tǒng)建模，闡述了PEMFC建模的發(fā)展趨勢，并通過分析PEMFC控制的特點，從工程的角度提出了PEMFC系統(tǒng)控制方案。陳越華等[20]從設(shè)計PEMFC控制方案的角度出發(fā)，設(shè)計了自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，所設(shè)計的控制系統(tǒng)適合于控制PEMFC這樣一類復(fù)雜非線性系統(tǒng)。陳桂蘭等[21]對PEMFC控制系統(tǒng)進行了研究，經(jīng)實際應(yīng)用證明，此控制系統(tǒng)控制穩(wěn)定、實用性強，可應(yīng)用于100～5000 W的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究。

高效、安全的車載儲氫技術(shù)的研發(fā)是制約氫燃料電池車商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。在儲氫技術(shù)中，液氫、高壓容器以及金屬氫化物儲氫系統(tǒng)均在車上試用或進行銷售。現(xiàn)有儲氫材料技術(shù)與車載儲氫應(yīng)用需求之間的差距還比較大，在溫和操作溫度下難于獲取高的儲氫密度仍然是各類儲氫材料研究中面臨的關(guān)鍵共性課題[22]。Y.KATO等[23]研究了一種利用化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)氫的安全供給而不產(chǎn)生二氧化碳的車用載氫系統(tǒng)。Ki-Joon Jeon等[24]研制出一種高效儲氫納米復(fù)合材料，它能在常溫下快速吸收和釋放氫氣，這是氫氣儲存和氫燃料電池等領(lǐng)域取得的又一個重大突破。

3 結(jié)語

燃料電池車是一種新能源車，它繼承了傳統(tǒng)汽車的許多優(yōu)良性能，如高速度、加速性能、長距離行駛以及安全舒適等，同時克服了純電動汽車續(xù)駛里程短、充電時間長的缺點，而且適應(yīng)了當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的要求，從而成為各國研發(fā)的熱點。我國對燃料電池車的發(fā)展十分重視，從“十五”到“十二五”都制定了相關(guān)規(guī)劃，在這些政策引導(dǎo)下，我國已研發(fā)出四代燃料電池車。美國、歐洲和日本的汽車制造商都在加緊研發(fā)燃料電池車，相繼推出了不同類型的燃料電池車。

目前，燃料電池車的成本、低溫啟動、加速性能、最高車速、對國內(nèi)空氣質(zhì)量的適應(yīng)能力以及續(xù)駛里程等與傳統(tǒng)汽車相比都存在一定差距，此外還有制氫、儲氫以及加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建等，這些問題都是制約燃料電池車走向商業(yè)化的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的進步，這些問題會相繼得到解決，如采用非Pt或低Pt催化劑，復(fù)合材料雙極板等，雖會降低一些電池性能，但會帶來成本的大大降低；仍采用加注燃油，但通過重整制氫，雖會降低一些效率，但會大大降低污染排放，同時無需另建加氫裝置。這些都是一個很好的發(fā)展方向，或許目前也只有這樣燃料電池車才能真正走向商業(yè)化。此外，燃料電池車的推廣，除了技術(shù)層面外，還需政府繼續(xù)給予政策方面的支持等。

[1]張克軍.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究進展[J].化工時刊,2008,22(9):50-55.

[2]黃明宇,倪紅軍,周一丹,等.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究與應(yīng)用[J].南通大學(xué)學(xué)報,2005,4(4):10-13.

[3]中國科學(xué)院能源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組.中國至2050年能源科技發(fā)展路線圖[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[4]張文娟.2005年度“中國高校十大科技進展”入選項目簡介[J].中國高校科技與產(chǎn)業(yè)化,2006(z1):36-42.

[5]胡興軍.國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海機電進出口貿(mào)易,2005(1):24-26.

[6]EMADI A,RAJASHEKARA K,WILLIAMSON S S,et al.Topological overview of hybrid electric and fuel cell vehicular power system architectures and configurations[J].IEEE Trans Vehicular Technology,2005,54(3):763-770.

[7]袁哲.我國電動汽車的最新進展和發(fā)展趨勢[J].科協(xié)論壇,2009(9):24-25.

[8]徐晶卉,李雪林.最高時速150公里，百公里加速時間15秒，比普通汽車節(jié)能40%—第四代燃料電池車“超越—榮威”問世[N].文匯報,2006-12-14(06).

[9]HWANG J J,WANG D Y,SHIH N C.Development of a lightweight fuel cell vehicle[J].Journal of Power Sources,2005,141:108-115.

[10]廖水容.混合動力燃料電池客車發(fā)展趨勢[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報,2009,18(1):27-30.

[11]楊妙梁.世界燃料電池車發(fā)展動向(四)—本田實用化燃料電池車開發(fā)[J].汽車與配件,2005(6):36-39.

[12]楊妙梁.世界燃料電池車發(fā)展動向(五)—在冰點下工作的本田FCX[J].汽車與配件,2005(10):34-35.

[13]雅坤.與“氫”一起飛翔MERCEDES-BENZ B-CLASS F-CELL[J].世界汽車,2010(4):28-31.

[14]高嚴.“氫動三號”為實現(xiàn)成熟燃料電池車規(guī)模化生產(chǎn)邁進一大步[J].汽車實用技術(shù),2003(4):64.

[15]裴藝.燃料電池車—未來轎車中的“寵兒”[J].汽車與安全,2000,12:24-25.

[16]楊妙梁.燃料電池車發(fā)展的艱難歷程(三)—通用的研發(fā)體制與福特Focus車的研發(fā)動態(tài)[J].汽車與配件,2003,28:28-32.

[17]楊武.車用燃料電池動力系統(tǒng)的仿真研究[D].北京：清華大學(xué),2004.

[18]CHEN L M,LIN Z J,MA Z F.Process modeling of fuel cell vehicle power system[J].Chinese Science Bulletin,2009,54(6):972-977.

[19]田玉冬,朱新堅,曹廣益.質(zhì)子交換膜燃料電池的建模與控制[J].電池,2004,34(4):301-303.

[20]陳躍華,曹廣益,朱新堅.質(zhì)子交換膜燃料電池的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模與控制[J].計算機仿真,2006,23(8):207-210.

[21]陳桂蘭，溫旭輝，孫曉.質(zhì)子交換膜燃料電池控制系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù),2004,28(4):195-198.

[22]王平.以車載儲氫為目標的儲氫材料研究進展[J].合成化學(xué),2007,15(z1):160.

[23]KATO Y,OTSUKA K,LIU C Y.Carbon dioxide zero-emission hydrogen carrier system for fuel cell vehicle[J].Chemical Engineering Research and Design,2005,83(A7):900-904.

[24]JEON K J, MOON H R, RUMINSKI A M, et al.Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storagewithout using heavy-metal catalysts[J].Nature Materials, 2011,10: 286-290.