质子交换膜燃料电池在电动车辆上的应用

自从1993年质子交换膜燃料电池系统的应用*次由美国新一代车辆计划（PNGV the New Generation of Vehicles program）提出以来，用了10年以上时间达到了现在的测试阶段和部分商业化阶段。2005年在摩纳哥，由通用、现代、戴姆勒·克莱斯勒等推出的5款燃料电池汽车进行了穿过瑞士的拉力赛，行程大约为410km，行程时间约为6h。拉力赛zui终取得了的成功，展示了目前质子交换膜燃料电池在燃料电池汽车领域的应用现状。

　　燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其具有效率高、污染小、建厂时间短、可靠性高及维护性好等优点，被誉为是一种继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）以磺酸型质子交换膜为固体电解质，它除具有一般燃料电池的优点外,还有以下自身特点：

　　一、效率高，因不受“卡诺循环”的限制,其能量转化效率高达60%～80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。

　　二、无污染，反应产物主撬?/DIV>

　　三、噪音低，因无大型旋转部件，因此噪音极小。

　　四、寿命长。

　　五、燃料具有多样性。甲醇、乙醇、甲烷、天然气、含氢废气、纯氢、轻油和柴油均可。

　　六、室温下工作，工作温度60～80℃。

　　七、启动十分迅速。

　　八、比功率大。

　　九、输出功率可随时调整。

　　十、可用空气作氧化剂，而不需纯氧。

　　所以PEMFC在固定电站、交通运输、军用特种电源及可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是交通运输的zui佳驱动电源。

　　尽管PEMFC具有很好的前景，但欲使其取代各种传统能源系统还存在很多问题，此外，许多燃料电池公司为了自身利益对他们积累的经验和技术都已经实行保护，由于世界正面临能源危机和环境污染等问题，分享这些技术的信息和数据对于PEMFC尽快全面商业化是非常必要的。

　　●国外PEMFC汽车的应用现状

　　在PEMFC的诸多应用中，运输工具是zui有竞争力、前景zui被看好的应用领域，另外，对于开发环保型汽车，我们可以看到燃料电池汽车（FECEV）是zui有潜力的。根据各个国家的社会和工业环境以及能源供给和需求的不同，每个国家质子交换膜燃料电池在电动车的发展方向是不同的，美国和日本的研究主要集中在燃料电池轿车方向、欧洲主要研究燃料电池公共汽车和火车，在中国燃料电池脚踏车和轻型燃料电池轿车有很大前景。表1列出了近年来国际上开展燃料电池汽车示范研究的基本情况。
目前以及将来的FECEV用的PEMFC的技术参数是由巴拉德于2005年5月公布的技术标准来说明的，它提出了汽车用质子交换膜电池堆技术商业化zui主要的4个方面的趋势和目标，这包括：耐久性、成本、冷起动和单位体积功率密度，其主要目标如下：

　　一、2010年寿命为5000h，巴拉德已经在模拟测试中成功实现了耐久性超过了2200h。

　　二、堆成本为$30/kW。

　　三、zui低冷起动温度为-30℃，在30s达到额定功率的50％。

　　四、单位体积的功率密度为2500W/L。

　　将燃料电池装在汽车上时，可考虑单独使用燃料电池的方式和燃料电池与蓄电池等辅助充、放电装置组合的混合方式。单独使用燃料电池方式，由于电源为单个系统，很简单，但是，不可能回收及重新利用再生能量。此外，尤其是从结冰温度开始的启动性能以及采用改性方式时的负载响应性能都存在问题。混合方式则可以利用再生能量，因此其特点是能够建造率系统。另外，汽车在启动及紧急时可由辅助充、放电装置供电，所以从安全性和可靠性方面来看，这是一种优异的方式，不过其系统自然会复杂些。

　　·燃料电池公共汽车

　　在2003年，Folkesson et al.通过欧洲清洁城市运输计划（CUTE：the Clean Urban Transport for Europe project）完成了混合燃料电池城市公共汽车的评估，这个计划的目标是设计并建立混合燃料电池公共汽车示范车，它由欧洲无核能源（Joule）规划和一些企业及院校联合提供资金支持。燃料电池系统设计的zui大输出功率为50kW，燃料为压缩氢气和环境压缩空气为氧化剂，DC/DC变换器将燃料电池输出电压调整为公共汽车的电压（600V），公共汽车长9.2m、宽2.5m、高3.2m，有15座位并有可站37个乘客的空间，动力系统放在汽车的后部。

　　各个系统包括燃料电池系统、蓄电池、车轮电动机和一些辅助设备可以很容易地从车上取出，这样简化了系统的维修和其他工作，燃料电池系统的核心是含2个PEMFC堆栈的堆块，每个堆栈有105片单电池，堆栈的装配结构是金属化的，它的尺寸为高58cm、宽42cm、长57cm，总体积为139L，系统的功率密度为0.2kW/L。

　　燃料电池（FC）在西班牙北部道路进行性能测试，所有的测试在带负载总重为12500+25kg的公共汽车上完成的。其结果是在测试循环中平均功率消耗为17～24kW，这个特性意味着额定输出功率约为35～50kW的燃料电池系统可足够用于全长为12m的混合燃料电池公共汽车，即使安装了20～25kW的空调系统，燃料电池系统的净效率约为40%，且其燃料消耗量比标准Scania内燃机公共汽车要低42%～48%。
另外，汽车的其他系统如用于开门、悬架、制动、液力转向器，水泵、冷却风扇大约消耗输入燃料能量的7%或燃料电池系统净输出能量的17%。

　　·燃料电池电动脚踏车和轻型车辆

　　利用质子交换膜燃料电池驱动的脚踏车可极大地减轻城市污染。如果质子交换膜燃料电池电动摩托车能替代20%的两缸摩托车，就可使CO、HC和NOx的排放量分别减少6%、11%和12%。与电动汽车相比，电动摩托车更商业化。1999年，加拿大巴拉德公司与日本雅马哈摩托车公司签署了25万美元的合同，为其提供摩托车用质子交换膜燃料电池。

　　2004年，Hwang et al发布了PEMFC电动脚踏车示范车的测试结果，研究脚踏车的动机是在中国每日上下班普遍是骑助力脚踏车。燃料电池系统由燃料电池堆栈、金属氢化物容器、空气泵、电磁阀门、冷却风扇、压力和温度传感器和微处理器组成。电堆由40片单电池组成，其额定功率和峰值（zui大）功率分别为303W（0.7V）和378W（0.66V）。电堆不仅驱动脚踏车的电动马达还为其他子系统提供能量。助力脚踏车可采用滚动式台架测试和道路测试，在滚动式台架测试中，zui高车速约为25.2km/h，电堆的温度在30.0～31.9℃之间，燃料电池系统的效率可达到35%，这明显高于内燃机式脚踏车，6.8g氢气的行驶距离为9.18km，这意味着电动车的距离燃料比为1.35km/g。在此结果的基础上，他们开始研发两座位的轻型燃料电池车，尽管完成了成功的示范车，但还没能解决经济和一些技术问题。

　　2005年，这个工作组也发布了5kW PEMFC轻型车辆的成果，这个示范车是在前期技术工作的基础上完成的，其系统结构与特点也类似于前一示范车。车速保持在约18km/h且在1h测试中无任何故障，这有非常好的稳定性和可靠性，然而还需要对加速性、加速度、燃料效率和与蓄电池的混合等一些性能做进一步研究。

　　●国内燃料电池电动汽车开发情况

　　·发展概况

　　国内燃料电池的研发起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而发展很慢，直到20世纪90年代才开始加快发展。目前燃料电池动力系统发展趋势很好，已具有从过去单电堆研究发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统的研发能力。国内燃料电池汽车领域已经取得了较大的进展，其中首台50kW燃料电池城市客车发动机已经研制成功，首台四轮驱动燃料电池轿车也在2002年12月初举行的上海工业博览会上亮相，但距真正的实际运用还有距离。在国家“十五”863电动汽车重大专项中，清华大学和北京客车总厂合作承担研究燃料电池客车计划，上海汽车工业集团公司、同济大学、信息部电机研究所、上海燃料电池汽车动力系统公司承担了燃料电池轿车的研发任务。
·国内主要研发单位研发成果

　　一、上海燃料电池动力系统公司与同济大学等单位合作开发出“超越一号”燃料电池混合动力轿车，2003年通过了国家科技部的测试；2006年底，第二代将开发完成，其各项性能指标将直逼世界先进水平。该车采用燃料电池与蓄电池的“电电混合”电源，压缩氢气为燃料，zui高时速每小时110km，可连续行驶210km。“超越一号”采用了拥有完全自主知识产权的燃料电池动力平台，车身为桑塔纳2000型，方向盘、仪表盘等设备，从样式到操作，都与传统汽车相似，空调、转向助力、制动助力三大辅助系统全部采用电力驱动。该电助力系统如装到传统汽车上，每行驶1000m可节省汽油0.5～0.7L。在燃料电池汽车领域，“超越一号”大大缩短了我国与世界先进水平的差距。

　　二、上海通用汽车公司与上海泛亚汽车技术中心共同开发出串联型燃料电池与蓄电池驱动的凤凰燃料电池轻型客车。车身以上海通用汽车生产的别克GL8公务用车为原型，由通用汽车提供燃料电池组、零部件和，泛亚汽车技术中心负责整车系统集成。该车以压缩氢气为燃料，采用35kW质子膜型燃料电池发动机，配置冷暖式热泵、电动动力转向助力装置及电动制动真空泵，共装备有15个控制器、88个传感器，有效地协调了整车运行、乘坐、安全、娱乐等功能。主要技术参数：乘客8人，动力性能接近内燃机汽车水平，0～100km加速时间14s，zui高车速l13km/h，zui大驱动功率104kW。

　　三、东风电动车辆股份公司与中国科学院、中国科学院大连化学物理研究所及中科院电工所合作，于2001年初研制出EQ6700FCV型燃料电池电动中型客车。EQ6700EV3燃料电池中型客车是国内开发的*辆30kW质子交换膜燃料电池电动汽车。主要技术参数：载客数19个；外型尺寸为7025×2225×2750mm；整备质量5385kg；zui大总质量5928kg；zui高车速(满载)60km/h；zui大爬坡度(满载)16%；额定功率30kW；续驶里程300km。

　　四、北京飞驰绿能电源技术有限公司(北京绿源公司)与清华大学合作推出以压缩氢气为燃料的“京零一号”燃料电池轻型客车，2001年4月参加了第三届北京国际电动汽车、清洁汽车展览会。该样车技术参数为：质子交换膜燃料电池；额定功率18kW(氢/氧型)；驱动电机额定功率35kW，zui大功率90kW；无级调速传动系统；zui高车速80km/h；zui大爬坡度15%；加速时间0～40km/h，不大于15s；一次加氢气行驶里程大于165km。
　五、武汉理工大学从2001年开始，先后开发了1kW燃料电池摩托车、5kW燃料电池高尔夫球车，2003年底开发成功燃料电池电动轿车“楚天一号”。2004年底“楚天一号”轿车接受了专家组的验收，其zui高时速103.6 km/h，燃料电池动力系统设计功率25kW，0～80km/h加速时间为22s，zui大爬坡度20％。

　　●PEMFC汽车商业化存在的挑战

　　近年来由于PEMFC在全球飞速的发展并取得了巨大的研究成果，PEMFC已经通过了示范阶段并部分达到了商业化阶段。但是，在它全面商业化之前的一年内还需要克服许多存在的问题，燃料电池汽车的普及主要存在3个方面的挑战：即高纯氢气的稳定的供应、系统成本的降低和一些技术问题。

　　·高纯氢气的供应和存储

　　PEMFC要全面商业化，就需要有稳定的高纯氢气的供应，然而，目前可用的高纯氢气很少并且在氢气使用方面很长时期内备受争议，它存在一些技术问题难题。

　　传统的氢气制取技术是碳氢化合物如天然气蒸汽重整，或者煤气化技术，然而，这些方法不可避免的存在CO2的排放，这会导致温室效应，另外，产物CO会导致PEMFC中的催化剂严重中毒。开发更加安全并且更的储氢系统如气罐、金属氢化物和化学氢化物是很重要的。

　　为了解决技术难题，对高纯氢气的生产技术做了很多的研究，这包括用风能和太阳能发电来电解水。Jacobson评估了氢气无论采用天然气重整、风能电解还是煤气化等中的哪一种方法制取，若美国所有的道路车辆换为PEFC，就能显著改善空气质量。根据文献资料，由风能电解水得到的PEFC的氢气在人类健康方面zui有优势，每年能够挽救美国3700～6400个生命，然而，这个结果只适用于美国FCV领域，除了对人类健康有益外，这个技术并不实际。

　　除了利用风能，PEMFC近期开始研究利用太阳能发电制取氢气，系统结构如图2所示。根据这些文献，需要对电解剂设计和能量流等方面做进一步研究来开发更有效的系统，在这些技术中，有效的电解系统是关键因素，因此近期在全球范围内都在积极开发更有效和更经济的PEMFC的电解系统。

　　总之，考虑到使用PEMFC带来的社会益处和人类健康，急切需要开发有效的制氢技术如用风能或太阳能发电来电解水制氢。

　　●车载氢源目前主要有3种形式

　　◆高压气罐储氢

　　采用先进的玻璃纤维增强铝合金作罐体材料，其储氢压力可达30MPa。

　　◆液态储氢

　　需用绝热性非常好的真空罐,以防止液氢的挥发与泄漏。

　　◆金属氢化物储氢

　　此外，zui近研究人员在碳纳米材料和玻璃微球储氢技术上取得了一些突破。
·PEMFC系统成本

　　目前，PEMFC的成本约为500～600$/kW，一辆质子交换膜燃料电池汽车的总成本是使用内燃机（ICE）汽车的10倍。一般质子交换膜燃料电池的成本由膜、铂催化剂、电极、双极板、外围设备和装配加工等费用组成，其中双极板和含铂的电极约占PEMFC总成本的80%，为了降低这些成本，很自然的需要开发更有效和更经济的所有PEMFC的组件。

　　典型的单电池电压为0.6～0.7V，电流密度为0.3～0.6A/cm2，也就是功率密度在2kW/m2以上，然而，电堆栈的性能要比单个电池的性能差。根据分析，采用大规模生产PEMFC的成本就会降低到内燃机水平，同时双极板和MEA的成本占堆栈的主要部分，因此要进一步加深降低这两个部件成本的研究，另外，还要重点开发成本低且与全氟磺酸膜质子传导率相同的新的质子交换膜。

　　·存在的技术问题

　　除了上述提到的氢气供应和质子交换膜的成本两大方面外，在PEMFC系统中还存在一些技术问题，这包括水热管理、从单电池到堆栈参数的测量、流场设计、燃料处理、阳极铂的CO中毒、MEA结构和阴极的极化等。然而，根据PEMFC目前的技术状况，这些技术问题将会在zui近几年可得到解决。

　　●结束语

　　燃料电池技术由于其、环保等特点，在电动车辆上具有很大的应用前景。目前，国际上燃料电池车辆已经从示范阶段发展到部分商业化阶段，在某些技术取得了很大的突破。然而，燃料电池汽车全面商业化还存在许多方面的挑战，如氢气的供应、系统成本的降低和一些技术问题。