燃料電池汽車及其發展前景

趙東江 馬松艷

（綏化學院食品與制藥工程學院 黑龍江綏化 152061）

燃料電池汽車及其發展前景

趙東江 馬松艷

（綏化學院食品與制藥工程學院 黑龍江綏化 152061）

燃料電池汽車是一種新能源汽車，因具有能量轉化效率高、無污染等特點受到世界各國廣泛關注。文章簡要介紹質子交換膜燃料電池的構造、原理和特點，綜述了燃料電池汽車的研究進展，重點評價了美國、歐洲、日本、韓國和中國等國家在燃料電池汽車技術、整車性能、環境適應性、示范運行、加氫基礎設施建設和商業化生產等方面的現狀，同時，簡要分析了燃料電池汽車的發展趨勢和產業前景。

新能源；燃料電池；燃料電池汽車；產業前景

隨著世界各國環保意識的增強，減少或降低溫室氣體排放已經形成共識，許多國家和地區都出臺了治理和限制大氣污染的相關政策，提出了2020年后溫室氣體減排目標。比如，歐盟的新能源政策規定到2020年和2050年溫室氣體排放將比1990年分別減少25%和80%[1]。21世紀以來，隨著科學技術的發展和人們生活水平提高，對汽車的需求數量迅速增長，汽車尾氣已經成為大氣主要污染源之一，而且傳統內燃機汽車難以解決燃料緊張和降低污染物排放的難題。因此，為了實現節能減排的目標，各國提倡采用非常規的車用燃料作為動力來源的純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等新能源汽車，減少甚至不排放溫室氣體，以降低對大氣的污染。在新能源汽車中，FCVs具有能量轉化效率高且無污染的特點受到廣泛關注。本文簡要介紹FCVs的特點和質子交換膜燃料電池的原理，著重介紹FCVs的研究現狀和產業化發展前景。

一、質子交換膜燃料電池

PEMFCs屬于低溫燃料電池，單體電池由電極（陽極和陰極）、電解質（質子交換膜）和雙極板等組成，是一種直接將化學能轉變為電能的裝置，相當于一個直流電源。電極由氣體擴散層和催化層組成，催化層一般選用催化性能良好的Pt基催化劑；質子交換膜只允許離子通過而不允許電子通過；雙極板的作用是將燃料和空氣分配到陽極和陰極表面，并保證電池堆散熱[2]。PEMFCs工作時，燃料（氫氣）在陽極催化劑作用下被氧化為氫離子（H+）并釋放出電子（e-），H+通過質子交換膜擴散到陰極，e-電子則通過外電路流向陰極，氧化劑（氧氣或空氣）在陰極催化劑作用下被還原并與H+結合生成最終產物水，結果相當于氫氣在氧氣中燃燒生成水，不同之處是PEMFCs的反應有電能產生。PEMFCs的電化學反應如下：

可以看出，在PEMFCs工作過程中，若氫氣和氧氣不斷地從陽極和陰極輸入，電池中的電化學反應就會連續進行下去，電子就會不斷地從陽極輸出并經外部電路形成電流，從而產生連續不斷的電能并為用電裝備提供電力。與傳統的機械發動機設備相比，PEMFCs通過電化學反應產生電能，屬于靜態發電方式，不經歷熱機過程，能量轉換不受卡諾（Carnot）循環的限制，能量轉換效率是普通內燃機熱效率的2～3倍，排放物僅有水一種物質。因此，PEMFCs具有能量轉換效率高、比能量高、噪音低、環境友好等優點，同時還具有工作溫度低（低于100℃）、啟動快、無泄漏等特性，作為動力電源能夠保證FCVs成為一種高效、清潔的新能源汽車[3]。

雖然PEMFCs具有很好的性能，但作為FCVs動力源應著重解決下面幾個問題：一是電池使用壽命。《中國制造2025》和美國能源部的規劃指出，到2020年車用PEMFCs的運行壽命要達到5000h。而當前車用PEMFCs的使用壽命僅為2500～3000h[4]。二是電池生產價格。PEMFCs的催化劑、膜材料等關鍵部件成本均較高，而且要用資源缺乏、價格昂貴的Pt金屬作催化劑，同時質子交換膜的價格也很高。為了降低PEMFCs的價格，減少（或替代）Pt催化劑用量，人們對非Pt催化劑進行了廣泛研究并取得重要進展[5,6]。三是電池低溫性能。由于北方地區冬季寒冷（甚至達到-30℃以下），因此要求FCVs用PEMFCs具有良好的低溫啟動性能。

二、燃料電池汽車及其研發現狀

燃料電池汽車屬于現代電動汽車的一種類型，其車身、動力傳動系統、控制系統與純電動汽車基本相同，主要區別在于動力電池不同。純電動汽車采用鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等二次電池為動力源，而FCVs采用燃料電池為動力源，所有功率負荷均由燃料電池承擔，廣泛應用于FCVs的燃料電池是PEMFCs。FCVs由燃料電池系統、蓄電池組（輔助動力源）、電流變換器、氫氣系統、電動機、冷卻系統等基本部分構成。FCV具有發動機燃燒效率高、零排放或近似零排放、運行平穩、噪聲低等優點，可稱為新型綠色環保汽車[7]。

FCVs的研發始于20世紀60年代，1966年美國通用汽車公司制造出世界上第一輛氫燃料電池車，可容納兩名乘客，續航193公里，時速達113km/h，電池壽命1000h，限于成本、安全因素以及加氫設施等原因未能持續開發[8]。然而，美國一直高度重視氫氣能源和FCVs的研發，1987年開展的電動汽車項目就包含燃料電池技術研發，并于1992年提出將燃料電池系統應用于運輸[9]；2003年更是投入高達12億美元的研究經費推進氫能和燃料電池技術，使車用燃料電池生產成本大幅下降。在整車研發方面，通用汽車公司1990年開始 PEMFCs在汽車上的應用研究，2005年研發的ChevroletSequel型FCVs續航里程達480km，PEMFCs可在-20℃啟動[10]。2001年10月，通用汽車公司推出“氫動三號”液態氫FCVs，如圖1所示，其續航里程400km，最大功率60kW，乘員5人，最高時速130km/h，0～100km加速時間13s，2010年上海世博會期間有近百輛該款車示范運行[11]。2007年，通用汽車公司啟動了ProjectDriveway計劃，將100輛雪佛蘭Equinox FCV交付消費者，2009年總行駛里程達到160萬公里。美國福特汽車公司于2005年制造的Chevrolet Equinox型 FCV，續航里程 320km，該款車于2007～2008年在美國洛杉磯等城市投入115輛用于商務運行。隨后，福特汽車公司又推出第三代燃料電池車—Focus FCVs，FocusFCVs安裝了加拿大BallardPowerSystems公司生產的最新燃料電池組（Mark902），輸出功率為85kW，最高時速128km/h，已在美國、加拿大、德國等國家的多個城市商用。2007年，福特汽車公司與美國俄亥俄州立大學、加拿大巴拉德動力系統公司（BallardPowerSystems）以及Roush Racing公司聯合制造出FusionHydrogen999世界上最快的燃料電池車，極速測試的最高時速達到207km/h。

圖1 通用汽車公司氫動三號FCVs

歐盟對FCVs研發高度重視，2001年啟動了“清潔能源伙伴計劃”，撥款1850萬歐元，支持倫敦等10個城市的FCB示范項目；2007年又啟動了“歐洲清潔城市交通項目”，進一步支持各個城市開展FCB示范運行[12]。2009年，歐盟批準了燃料電池和氫能技術項目行動計劃，從第7框架計劃（2007-2012）中列支4.7億歐元，持續資助FCVs及基礎設施技術研發。由于政府支持和大量研發資金的投入，歐洲在FCVs的可靠性和成本控制等方面進展迅速。2012年，德國啟動燃料電池及氫能國家創新計劃，政府與汽車生產企業合資支持FCVs、氫能等關鍵技術研發，到2015年全國建成50個加氫站，可以為5000輛FCVs加氫服務[13]。20世紀80年代初期，奔馳汽車公司就開始了氫燃料電池的研發，后因工藝和技術問題一度停止。隨著科學技術的進步，奔馳繼續開展氫燃料電池汽車的研發，并于2011年推出36輛Citaro燃料電池客車，如圖2（a）所示，由20個運營商使用，運行時間140000h以上、行程超220萬km。此外，2011年上海車展期間，奔馳推出的B級FCVs參加展出，如圖2（b）所示，其續航里程達到400km。2015年，寶馬汽車公司展示了5系GT FCVs，如圖3所示，其動力系統和寶馬i8FCVs一致，最大輸出功率188kW，續航里程達483km，但該車型僅為研究車輛，尚無量產計劃。

圖2 奔馳汽車公司Citaro FCB (a)和B級FCVs (b)

圖3 寶馬汽車公司5系GT FCVs

在亞洲，日本和韓國FCVs的研發水平領先于世界其他國家，日本豐田、日產汽車公司和韓國現代汽車公司FCVs的耐久性、使用壽命和造價成本方面已超越歐美。2005年，豐田推出的TOYOTAFCHV，續航里程達到560km，可在-37℃正常啟動[14]。2014年，豐田推出FCHV-adv并在日本市場銷售，該車最大時速達160km/h，充氣（氫氣）時間僅需3min，最大續航里程830km，售價約合人民幣37.6萬元，到2015年3月預售1200輛，遠超400輛的市場預期[15]。日本政府高度重視FCVs推廣使用，2015年豐田公司推出的Mirai（未來）FCV，如圖4所示，加滿氫氣僅用3min，續航里程650km，起步到時速60km只需1-2s，燃料消費約合人民幣0.66元/km，該車上市就受到政府機構和企業界的熱捧，僅一個月日本國內訂單就達1500輛，豐田公司已決定2017年產能將提高到3000輛/年[16]。日產汽車公司于1996年開始FCVs的研發，2005年，日產展示了X-Trail FCVs 2005款型，最大功率90kW，最高時速150km/h，通過在該車上配備70MPa的高壓儲氫罐，開發出了最大續航里程500km的車輛[17]。日產還與雷諾汽車公司合作投資850億日元開展FCVs的研發。2008年，日本本田汽車公司開始租售FCXClarityFCVs，其可在-30℃正常啟動，續航里程達620km。2015年10月，本田推出一款FCVs，裝備了70MPa氫氣罐，3min可充滿氫氣，續航里程超過700km。該款車的最大特點是實現了燃料電池堆的小型化，電能輸出密度為3.1kW/L，達到當前世界最高等級。

圖4 豐田汽車公司MiraiFCVs

韓國現代汽車公司1998年開始研發FCVs，是FCVs研發領域最早取得顯著成績的汽車制造商。2000年現代首次推出圣達菲FCVs，2006年利用自主研發的FC組裝了30臺運動型多功能車（Sports UtilityVehicle，SUV）進行示范運行，隨著對FC電堆性能的不斷改進和更新換代，2012年現代推出第3代SUV型FCVs并進行全球示范。2013年，現代建成第一條FCVs生產線，實現ix35 FCEV首次量產，如圖5所示，成為全球首家量產FCVs的汽車制造商。ix35FCEV采用了輸出功率100kW的FC系統，備有兩個70MPa的氫瓶，能夠儲存5.63kg壓縮氫氣，可續航594公里，最高速度160km/h，可在-20℃以下正常啟動行駛。2014年，現代在美國加州舉行ix35FCEV上市儀式，標志量產FCVs在美國進入商業化階段。目前，現代準備推出一款全新FCVs，外觀設計借鑒ix35，這款全新SUV最高時速可達187km/h，續航里程850km，有望替代ix35。

圖5 現代汽車公司ix35 FCEV

我國的FCVs研發雖然起步較晚，但在國家“十五”、“十一五”和“十二五”規劃以及863計劃和973計劃重大項目支持下，FCVs技術研發取得重大進展，正在逐步縮小與國外先進水平的差距。2003年，在上海國際工業博覽會上同濟大學推出我國第一輛燃料電池動力樣車（超越一號），最高時速105.8km/h，續航里程231km，從0至80km/h加速時間為15.4s，上海汽車集團在榮威750基礎上，搭載超越燃料電池動力系統組裝出上海牌FCVs，如圖6所示，該車最高時速150 km/h，續航里程300km，百公里時速加速時間15s[11]。在2008年北京奧運會、2010年上海世博會以及2011年深圳大運會期間，北汽福田/清華、上海大眾/同濟、長安志翔以及五洲龍等燃料電池汽車進行了示范運行[18]，在北京奧運會上帕薩特FCVs單車行駛里程達到5200km，在上海世博會上FCB單車最長里程達到6600km[19]，這些示范運行項目說明我國FCVs技術取得了明顯的進步。2012年1月，同濟大學牽頭成立了有多所大學、研究機構和汽車企業參加的“中國燃料電池汽車技術創新戰略聯盟”，集中國內FCVs研發和生產的優勢力量，根據FCVs產業發展的技術需求，合作攻關、自主創新，促進了我國FCVs產業化進程。2014年9月，大連新能源車展示了由長城電工與上汽集團合作生產的國內首臺取得銷售許可的FCVs，最高時速達150km/h，續航里程達500km，標志我國FCVs已進入商業化。然而，與國外先進汽車生產企業相比，我國FCVs在可靠性、耐久性、低溫啟動以及供氫系統等方面還有較大差距。劃2020年前上市。在歐洲，歐盟規劃到2020年車用FC實現商業化運行，并且按照綜合性示范運行、擴展燃料供應網絡、進入歐洲主要汽車市場和實現大規模商業化運行四個階段實現FCVs商業化。歐盟主要國家也相繼布局FCVs市場，比如，英國計劃到2030年FCVs達160萬輛左右，至2050年實現FCVs市場占有率30%～50%。在亞洲，日本政府支持并引導車企研發FCVs，實行限購政策，面向豐田、本田、日產等車企購買FCVs。日本大力推動FCVs的商業化發展，規劃2010～2020年為初步普及階段，2020～2030年為實際普及階段，并計劃到2030年FCVs達1500萬輛，占日本汽車市場的1/5左右。韓國政府計劃到2030年FCVs將占新車總銷量的10%，制定了購買FCVs的國家補貼標準和各種優惠政策，同時幫助車企降低生產成本。現代汽車集團繼續加快FC技術研發和推廣應用，將有助于推進韓國FCVs市場化發展。

圖6 上海牌FCVs

在我國，2012年6月國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》將FCVs列入其中，規劃了FCVs的研發將在關鍵基礎器件、FC系統、基礎設施與示范等方面加大投入力度，爭取與世界同步發展。2015年5月，國務院印發的《中國制造2025》提出將繼續支持FCVs發展，自主品牌的FCVs要與國際先進水平接軌，實現關鍵材料和零部件國產化。到2020年，FC壽命達到5000h國際水平，功率密度2.5kW/L，續航里程500km，耐久性150000km，加氫時間3min，-30℃以下正常啟動，將生產1000輛FCVs并示范運行；到2025年，實現FCVs區域小規模運行。2016年8月，由全球環境基金和聯合國開發計劃署支持的“促進中國燃料電池汽車商業化發展”項目正式啟動，項目擬在北京、上海、鄭州、佛山、鹽城等城市開展百輛級FCVs等商業化示范運行，促進FCVs在中國的商業化發展。這些支持政策和措施的實施必將為我國FCVs技術提升及市場化發展奠定良好基礎。

三、燃料電池汽車的發展前景

目前，為了鼓勵FCVs的研發和商業化，世界各國政府出臺了相應措施和支持政策，對FCVs的推廣使用充滿期待。在美國，能源部和汽車研究理事會通過政府與車企協作方式共同研發FCVs技術和燃料氫供應技術，政府通過政策和資金支持促進FCVs商業化進程。比如，2016年能源部撥款600萬美元資助福特汽車公司與洛斯阿拉莫斯國家實驗室開展FC科技研究，開發FC用低成本產品系統，確保美國清潔能源汽車研發工作處于領先水平。在車企合作方面，通用與本田合作致力于開發下一代FC系統和儲氫技術，并計

四、結語

燃料電池作為一種新型清潔能源，經過半個多世紀的研發，技術逐步趨向成熟，已在很多領域得到應用，特別是在汽車領域的應用空前迅速，受到各國政府的廣泛關注和政策支持。FCVs的研究與開發利用一直受到高度重視，盡管車用燃料電池的壽命、成本、性能等還需進一步優化，但汽車企業已經開始FCVs產業化準備，有的甚至宣布進入量產階段。相信，隨著燃料電池技術和整車生產技術的進步以及配套基礎設施的建設與完善，FCVs的產業化前景將會更加廣闊。

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[責任編輯 鄭麗娟]

FuelCell Vehicles and Its Development Prospects

Zhao Dongjiang Ma Songyan
(School of Food and Pharmaceutical Engineering,Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)

Fuel cell vehicles are a kind of new energy vehicles which received extensive attention by various countries in the world,due to its high energy conversion efficiency and no pollution.In this paper,the structure,principle and characteristics of the proton exchange membrane fuel cell are briefly introduced.The research progress of fuel cell vehicles is reviewed.In particular,the present situation of the technology,vehicle performance,environmental adaptability,demonstration operation,infrastructure of hydrogen refueling stations and commercial production of fuel cell vehicles in the United States,Europe,Japan,South Korea,China and other countries are focused upon on.At the same time,the development trend and the industrial prospect of fuel cell vehicles are analyzed.

new energy;fuel cell;fuel cell vehicles;industry prospect

TQ16

A

2095-0438（2017）05-0143-05

2016-12-21

趙東江（1965-），男，黑龍江蘭西人，綏化學院食品與制藥工程學院教授，博士，研究方向：燃料電池。

綏化市科技計劃項目(SHKJ2015-001)。