燃料电池汽车发展-汽车新技术作业

摘要：在21世纪的今天，随着世界经济与人口的快速增长，人们对能源的需求越来越大。

传统的化石燃料已无法满足当今全球对环境保护的要求，同时，化石燃料储量有限，终有一天会面临枯竭。为了给子孙后代的创造可持续的发展环境，我们急需发展一种全新的“清洁”汽车--燃料电池汽车。

关键词：燃料电池汽车，可再生能源，发展概况

1.燃料电池概述

燃料电池，是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，最早由英国物理学家威廉·格鲁夫爵士发明，由于燃料电池具有质量能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等优点，燃料电池获得了较快的发展。

1.1工作原理：

燃料电池严格意义上讲只是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同，但是工作方式与普通的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持续的供给，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过改变化学反应的条件来改变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为温和，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%，远高于内燃机的30%~40%）的内燃机。下面简单介绍一下氢—氧燃料电池的工作原理:

燃料（氢气）进入气体通道到达阳极（Anode），在铂催化剂的作用下，发生阳极反应：

然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）。同时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+在催化剂作用下发生阴极反应：

反应过程结束，产生电能以及副产物水。

2.燃料电池汽车结构与特点

2.1概况

燃料电池汽车按燃料种类可分为：1.以纯氢气为燃料的燃料电池汽车 2.以、天然气，汽油等富含氢原子的烃类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池汽车。

按电源系统的配置不同，可分为：1.燃料电池直接驱动型2.燃料电池与蓄电池混合电

源型。3.燃料电池与超级电容器混合电源型。4.燃料电池与蓄电池及超级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽车一般均使用第2，3，4三种方式

毫无疑问，燃料电池汽车与传统汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车相比拥有很多优势。

2.2优点

1.清洁无污染。

燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能（蓄电池）方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。也就是说，燃料电池汽车的运行过程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意义上的“清洁汽车”。

2.安静无噪声

燃料电池运行安静,没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人们正常交谈的水平。

3.燃料补充方便，快捷，续航力远超普通纯电动汽车。

纯电动汽车充电时间较长，一次充电完成需要7~8小时，而且充满电后续航里程较短，常常不超过300km。而燃料电池汽车可以像传统的汽油汽车一样方便的补充燃料，而且充满燃料后一般的续航里程可达到400km以上，甚至超过了很多的传统的使用汽油的车辆。

4.效能高。

燃料电池汽车有极高的能源利用效率。由于燃料电池本事就是一种效率极高的能量生成装置，加上车辆合理的设计（如再生制动系统的使用，辅助电池的应用），使得燃料电池汽车具有极高的能源利用效率。

5.动力性能优异。

燃料电池可以持续稳定的输出电力，加上高性能电机的应用，使得燃料电池汽车具有极佳的动力性能。以奔驰B级紧凑型轿车F-Cell燃料电池型为例，其采用的同步电机最大输出功率可达100千瓦，峰值扭矩可达290牛米。动力系统的性能远超普通的2.0L自然吸气式汽油发动机，并且拥有良好的燃油经济性，其燃料消耗仅仅相当于每百公里耗油3.3升（价格上）。最高时速可达170公里/小时，仅比采用自然吸气引擎的奔驰B200低了26公里/小时。

2.3缺点

1.成本高。

由于燃料电池需要用昂贵的铂催化剂，造成燃料电池的成本一直居高不下，虽然最近几年随着国际社会加大了对燃料电池的开发力度，使得成本有所下降，但是较高的成本依然是燃料电池技术广泛普及的最大障碍。

2.燃料电池的燃料-氢气的储藏与制备技术仍不成熟。

由于氢气制备技术的制约，大规模制造氢气仍然存在一些问题。氢气的易燃易爆特性使得氢气储藏难度加大，存在安全隐患。

3．燃料电池汽车发展概况

日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到 5万辆；2020年达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在 5 年内斥资 2090 亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。

2009年，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。

2008年，欧盟决定斥资１０亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。

中国政府大力支持燃料电池汽车以及纯电动汽车的研发与市场推广，2010年上海世博会期间，世博园区投入了196辆燃料电池公交车，取得了良好的运行效果。

3.1各大汽车厂商的参与

虽然各国政府对燃料电池汽车的热情不尽相同，但是世界各大汽车厂商推入了巨大的热情进行了燃料电池车辆方面的研究，有很多已经开发出了实用化的燃料电池汽车。其中，戴姆勒—奔驰、福特汽车、通用汽车、本田、雷诺、日产和丰田汽车均已走在了世界的前列。

1.德国戴姆勒—奔驰公司——奔驰B 级F—CELL

奔驰B级F-CELL以奔驰 B车为基础，搭载氢燃料电池驱动系统，只需加注氢燃料，可以通过车内燃料电池装置迅速将燃料转化成电能，加满氢燃料的过程仅需 3 分钟。设计师把它的氢燃料罐和燃料电池设计成独特的夹层结构，可以大大提高车辆的可用空间。该车一次加满燃料的续航能力达 400 公里。

2.丰田——Mark X Zio 氢燃料电池车

丰田汽车曾宣布与美国萨凡纳河国家实验室（SRNL： Savannah River National Laboratory）以及可再生能源实验室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）共同实施了燃料电池车“Highlander FCHV-adv”的公路实验。实验结果表明，该车的续航距离可达到 693km。该车充满燃料可行驶 780 公里，燃料效率是传统汽油车的 3 倍，它的最高时速可达 160 公里/小时，百公里加速为 7 秒。计划将于2015 年上市。

3.本田——本田FCX Clarity燃料电池车

最早商品化的燃料电池车 FCX Clarity。全新一代的燃料电池汽车 FCX Clarity 以本田独创的燃料电池堆“V Flow FC Stack”技术为核心。同时外观上实现了燃料电池车所特有的抢眼设计，划时代的外观线条。以及超凡的驾驭感觉。不仅实现了车辆清洁性，而且还赋予了燃料电池车独特的新价值和新魅力。

4.马自达——氢燃料混合动力车马自达RX-8 Hydrogen RE

马自达一直在进行燃料电池开发计划。近期，马自达开发出以氢气为燃料的内燃机，绕开高成本的燃料电池同样实现零排放的最终目标。但是续驶里程过短和氢气成本高的阴影仍然笼罩在氢发动机汽车之上。但是该型车通过氢燃料和汽油混用可行驶约 600 公里。

5.大众——帕萨特领驭氢燃料电池车

该车采用氢燃料电池发动机，能量转换效率高达 80%，是普通内燃机的 3 倍。

6.通用汽车——凯迪拉克Provoq 概念车

这款车搭载最新 e-flex 氢燃料电池驱动系统该车一次续航里程可达 483公里，百公里加速仅为 8.5 秒。

3.2燃料电池汽车推广存在的问题

燃料电池汽车虽然较传统的汽油汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车有技术上的优势，但是却一时难以普及，原因是多方面的。

1.燃料电池的成本过高。

燃料电池的成本过高是制约燃料电池汽车发展的最大阻碍，早期由于燃料电池采用贵重的铂金属催化剂，使得成本居高不下，虽然近几年通过世界各地科研人员的不懈努力，已经开发出了新型的无铂催化剂，使得电池成本有了明显的降低，但是仍然没有降到可以进行大规模普及的程度。以奔驰B级燃料电池汽车为例，奔驰B级燃料电池汽车的售价为5万美元，约33万人民币，而同时期的奔驰B级汽车的售价却只有约22万人民币（以上均指美国售价）。