我国新能源公交车发展探讨三燃料电池汽车的发展前景

客车市场68人民公交2010-3安凯·新能源客车我国新能源公交车发展探讨（三）：燃料电池汽车的发展前景文/本刊记者顾建国所组成。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-，见式⑴：2H2→4H++4e-⑴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，氧在正极获得氢离子和电子反应为水，见式⑵：O2+4H＋+4e-→2H2O⑵可见这正是水的电解反应的逆过程，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，还有汽油、柴油和天然气等燃料。有机燃料和气体燃料经过重整器“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。1.3燃料的供给方法氢燃料电池汽车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车行驶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，可以同许多金属或合金化合，它们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燃料电池汽车的优点2.1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，而火力燃料电池汽车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。目前，国内已有客车厂研发试制了燃料电池公交车，但其距离商业化运营还有很长的路要走。燃料电池汽车（FCV：FuelCellVehicle）与电动汽车的根本区别在于：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，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，燃料电池汽车是一种理想的清洁能源汽车。1燃料电池汽车1.1燃料电池汽车的基本构造燃料电池汽车主要由贮氢罐、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，燃料电池汽车与纯电动汽车的主要区别是电力来源方式的不同。图1燃料电池汽车的基本构造空气压缩机燃料电池加湿器燃料电池组电机控制系统输出电流空气水泵超级电容驱动电机热交换器吸附式合金贮氢罐H2（本栏目由安凯客车特约冠名）1.2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客车市场692010-3人民公交安凯·新能源客车发电是将煤炭、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。2.2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：汽车、车间、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。2.3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，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源。2.4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。2.5经济性好试验表明，氢燃料电池车辆的能耗经济性可达到传统汽油车的2~3倍，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于用内燃机的普通汽车。3燃料电池汽车的开发现状3.1概况由于燃料电池汽车，尤其氢燃料电池汽车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，使燃料电池汽车成为近年来汽车企业关注的焦点。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车的市场份额。预计到2010年，世界燃料电池汽车将发展到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，燃料电池汽车是“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车的研发投入，推动核心技术产业化。与汽车工业发达国家相比，我国发展新能源汽车虽然起步不晚，但国内汽车企业关键技术并不先进，存在核心技术“卡壳”的瓶颈，使国产燃料电池汽车产业化面临诸多挑战。3.2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，并且在燃料电池汽车诸多领域取得领先。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）车辆效率(LHV)约50%约50%约50%以上60%约60%以上耐久性(h)约10002000300050005000以上动作温度(含初始动作温度)约80℃-30℃～80℃-30℃～90℃-30℃～100℃-40℃～120℃燃料电池组造价(日元/kW)数十万数十万以下约5～6万约1万不足4000续驶里程(km)约300～500约500约500～700约700单车载氢量(kg)约3～5约5kg约5～7kg约7用于加氢的氢贮存容器成本(万日元/套)约300～500提高材料水平和制造技术使成本降低批量生产使成本降低不足数十万（大幅降低）氢燃料价格(日元/Nm3)约110～150约80约80～40约40正规加氢站建设成本(亿日元/座)约3约3约1.5约1.5以下表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≈48km2007度年末2008年～进入试验阶段2010年由于试验阶段转向实用阶段性2015年普及初期2020～30年真正实现产业化项目客车市场70人民公交2010-3安凯·新能源客车图2燃料电池公交车与其他燃料公交车的能耗对比121086420每公斤燃料行驶的里程（英里）06年1月3月5月7月9月11月07年3月5月7月9月11月08年3月5月7月ACTFCBACT柴油SunlineFCBSunlineCNGCTTFCBCTT柴油中，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。4燃料电池汽车技术动向与课题4.1小型化燃料电池组的小型化对增大汽车的有效利用空间意义重大，是整车制造企业优先考虑的课题，也是汽车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2kW/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。4.2续驶里程氢燃料电池汽车与纯电动汽车同样面临续航能力的课题，目标是使其具有象传统燃油汽车那样的便利性。国外最近成功研发了具有代表性的70MPa车载氢贮存装置，一次加注氢燃料后的续驶里程可达到830km。这标志着燃料电池汽车的续驶里程能够随着燃料电池汽车的发展同步提高。况且，公交车的行驶范围更便于加注燃料。4.3低温启动性氢燃料汽车的低温启动性能限制了汽车的应用范围，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，号称可在-30℃寒冷环境下的低温启动，并已经通过了试验与验证，但-40℃的低温启动目标尚未突破。4.4耐久性燃料电池汽车的耐久性集中在燃料电池上。日本丰田汽车公司发表了燃料电池的膜-电极接合体（MEA：MembraneElectrodeAssembly）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。4.5降低成本成本是推广燃料电池汽车的最大障碍。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830km的目标，将贮氢罐的耐压能力由35MPa提高到70MPa，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；整车售价由目前的数千万日元降低到数百万日元。到2020年，使燃料电池汽车的售价与普通汽车价格相当。4.6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车是最理想的新能源汽车，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车的技术途径，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，燃料电池汽车即可“破茧成蝶”，燃料电池公交车也将同时实现产业化。5美国NREL燃料电池公交车（FCB）运行报告美国国家可再生能源实验室（NREL：NationalRenewableEnergyLaboratory）在3个公共交通公司（ACTransit、Sunline、CTTRANSIT）分别投放了5辆燃料电池客车市场712010-3人民公交安凯·新能源客车月平均运行里程（英里）2,5002,0001,5001,0005000以往数据最新数据CTT公司ACT公司SunLine公司5491,4211,8861,9071,0231,57154%160%图4月平均运行里程与以往对比情况图3运行中的平均动力分配比例CTT公司Su