燃料电池汽车及其发展前景

赵东江 马松艳

（绥化学院食品与制药工程学院 黑龙江绥化 152061）

燃料电池汽车及其发展前景

赵东江 马松艳

（绥化学院食品与制药工程学院 黑龙江绥化 152061）

燃料电池汽车是一种新能源汽车，因具有能量转化效率高、无污染等特点受到世界各国广泛关注。文章简要介绍质子交换膜燃料电池的构造、原理和特点，综述了燃料电池汽车的研究进展，重点评价了美国、欧洲、日本、韩国和中国等国家在燃料电池汽车技术、整车性能、环境适应性、示范运行、加氢基础设施建设和商业化生产等方面的现状，同时，简要分析了燃料电池汽车的发展趋势和产业前景。

新能源；燃料电池；燃料电池汽车；产业前景

随着世界各国环保意识的增强，减少或降低温室气体排放已经形成共识，许多国家和地区都出台了治理和限制大气污染的相关政策，提出了2020年后温室气体减排目标。比如，欧盟的新能源政策规定到2020年和2050年温室气体排放将比1990年分别减少25%和80%[1]。21世纪以来，随着科学技术的发展和人们生活水平提高，对汽车的需求数量迅速增长，汽车尾气已经成为大气主要污染源之一，而且传统内燃机汽车难以解决燃料紧张和降低污染物排放的难题。因此，为了实现节能减排的目标，各国提倡采用非常规的车用燃料作为动力来源的纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等新能源汽车，减少甚至不排放温室气体，以降低对大气的污染。在新能源汽车中，FCVs具有能量转化效率高且无污染的特点受到广泛关注。本文简要介绍FCVs的特点和质子交换膜燃料电池的原理，着重介绍FCVs的研究现状和产业化发展前景。

一、质子交换膜燃料电池

PEMFCs属于低温燃料电池，单体电池由电极（阳极和阴极）、电解质（质子交换膜）和双极板等组成，是一种直接将化学能转变为电能的装置，相当于一个直流电源。电极由气体扩散层和催化层组成，催化层一般选用催化性能良好的Pt基催化剂；质子交换膜只允许离子通过而不允许电子通过；双极板的作用是将燃料和空气分配到阳极和阴极表面，并保证电池堆散热[2]。PEMFCs工作时，燃料（氢气）在阳极催化剂作用下被氧化为氢离子（H+）并释放出电子（e-），H+通过质子交换膜扩散到阴极，e-电子则通过外电路流向阴极，氧化剂（氧气或空气）在阴极催化剂作用下被还原并与H+结合生成最终产物水，结果相当于氢气在氧气中燃烧生成水，不同之处是PEMFCs的反应有电能产生。PEMFCs的电化学反应如下：

可以看出，在PEMFCs工作过程中，若氢气和氧气不断地从阳极和阴极输入，电池中的电化学反应就会连续进行下去，电子就会不断地从阳极输出并经外部电路形成电流，从而产生连续不断的电能并为用电装备提供电力。与传统的机械发动机设备相比，PEMFCs通过电化学反应产生电能，属于静态发电方式，不经历热机过程，能量转换不受卡诺（Carnot）循环的限制，能量转换效率是普通内燃机热效率的2～3倍，排放物仅有水一种物质。因此，PEMFCs具有能量转换效率高、比能量高、噪音低、环境友好等优点，同时还具有工作温度低（低于100℃）、启动快、无泄漏等特性，作为动力电源能够保证FCVs成为一种高效、清洁的新能源汽车[3]。

虽然PEMFCs具有很好的性能，但作为FCVs动力源应着重解决下面几个问题：一是电池使用寿命。《中国制造2025》和美国能源部的规划指出，到2020年车用PEMFCs的运行寿命要达到5000h。而当前车用PEMFCs的使用寿命仅为2500～3000h[4]。二是电池生产价格。PEMFCs的催化剂、膜材料等关键部件成本均较高，而且要用资源缺乏、价格昂贵的Pt金属作催化剂，同时质子交换膜的价格也很高。为了降低PEMFCs的价格，减少（或替代）Pt催化剂用量，人们对非Pt催化剂进行了广泛研究并取得重要进展[5,6]。三是电池低温性能。由于北方地区冬季寒冷（甚至达到-30℃以下），因此要求FCVs用PEMFCs具有良好的低温启动性能。

二、燃料电池汽车及其研发现状

燃料电池汽车属于现代电动汽车的一种类型，其车身、动力传动系统、控制系统与纯电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池不同。纯电动汽车采用铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等二次电池为动力源，而FCVs采用燃料电池为动力源，所有功率负荷均由燃料电池承担，广泛应用于FCVs的燃料电池是PEMFCs。FCVs由燃料电池系统、蓄电池组（辅助动力源）、电流变换器、氢气系统、电动机、冷却系统等基本部分构成。FCV具有发动机燃烧效率高、零排放或近似零排放、运行平稳、噪声低等优点，可称为新型绿色环保汽车[7]。

FCVs的研发始于20世纪60年代，1966年美国通用汽车公司制造出世界上第一辆氢燃料电池车，可容纳两名乘客，续航193公里，时速达113km/h，电池寿命1000h，限于成本、安全因素以及加氢设施等原因未能持续开发[8]。然而，美国一直高度重视氢气能源和FCVs的研发，1987年开展的电动汽车项目就包含燃料电池技术研发，并于1992年提出将燃料电池系统应用于运输[9]；2003年更是投入高达12亿美元的研究经费推进氢能和燃料电池技术，使车用燃料电池生产成本大幅下降。在整车研发方面，通用汽车公司1990年开始 PEMFCs在汽车上的应用研究，2005年研发的ChevroletSequel型FCVs续航里程达480km，PEMFCs可在-20℃启动[10]。2001年10月，通用汽车公司推出“氢动三号”液态氢FCVs，如图1所示，其续航里程400km，最大功率60kW，乘员5人，最高时速130km/h，0～100km加速时间13s，2010年上海世博会期间有近百辆该款车示范运行[11]。2007年，通用汽车公司启动了ProjectDriveway计划，将100辆雪佛兰Equinox FCV交付消费者，2009年总行驶里程达到160万公里。美国福特汽车公司于2005年制造的Chevrolet Equinox型 FCV，续航里程 320km，该款车于2007～2008年在美国洛杉矶等城市投入115辆用于商务运行。随后，福特汽车公司又推出第三代燃料电池车—Focus FCVs，FocusFCVs安装了加拿大BallardPowerSystems公司生产的最新燃料电池组（Mark902），输出功率为85kW，最高时速128km/h，已在美国、加拿大、德国等国家的多个城市商用。2007年，福特汽车公司与美国俄亥俄州立大学、加拿大巴拉德动力系统公司（BallardPowerSystems）以及Roush Racing公司联合制造出FusionHydrogen999世界上最快的燃料电池车，极速测试的最高时速达到207km/h。

图1 通用汽车公司氢动三号FCVs

欧盟对FCVs研发高度重视，2001年启动了“清洁能源伙伴计划”，拨款1850万欧元，支持伦敦等10个城市的FCB示范项目；2007年又启动了“欧洲清洁城市交通项目”，进一步支持各个城市开展FCB示范运行[12]。2009年，欧盟批准了燃料电池和氢能技术项目行动计划，从第7框架计划（2007-2012）中列支4.7亿欧元，持续资助FCVs及基础设施技术研发。由于政府支持和大量研发资金的投入，欧洲在FCVs的可靠性和成本控制等方面进展迅速。2012年，德国启动燃料电池及氢能国家创新计划，政府与汽车生产企业合资支持FCVs、氢能等关键技术研发，到2015年全国建成50个加氢站，可以为5000辆FCVs加氢服务[13]。20世纪80年代初期，奔驰汽车公司就开始了氢燃料电池的研发，后因工艺和技术问题一度停止。随着科学技术的进步，奔驰继续开展氢燃料电池汽车的研发，并于2011年推出36辆Citaro燃料电池客车，如图2（a）所示，由20个运营商使用，运行时间140000h以上、行程超220万km。此外，2011年上海车展期间，奔驰推出的B级FCVs参加展出，如图2（b）所示，其续航里程达到400km。2015年，宝马汽车公司展示了5系GT FCVs，如图3所示，其动力系统和宝马i8FCVs一致，最大输出功率188kW，续航里程达483km，但该车型仅为研究车辆，尚无量产计划。

图2 奔驰汽车公司Citaro FCB (a)和B级FCVs (b)

图3 宝马汽车公司5系GT FCVs

在亚洲，日本和韩国FCVs的研发水平领先于世界其他国家，日本丰田、日产汽车公司和韩国现代汽车公司FCVs的耐久性、使用寿命和造价成本方面已超越欧美。2005年，丰田推出的TOYOTAFCHV，续航里程达到560km，可在-37℃正常启动[14]。2014年，丰田推出FCHV-adv并在日本市场销售，该车最大时速达160km/h，充气（氢气）时间仅需3min，最大续航里程830km，售价约合人民币37.6万元，到2015年3月预售1200辆，远超400辆的市场预期[15]。日本政府高度重视FCVs推广使用，2015年丰田公司推出的Mirai（未来）FCV，如图4所示，加满氢气仅用3min，续航里程650km，起步到时速60km只需1-2s，燃料消费约合人民币0.66元/km，该车上市就受到政府机构和企业界的热捧，仅一个月日本国内订单就达1500辆，丰田公司已决定2017年产能将提高到3000辆/年[16]。日产汽车公司于1996年开始FCVs的研发，2005年，日产展示了X-Trail FCVs 2005款型，最大功率90kW，最高时速150km/h，通过在该车上配备70MPa的高压储氢罐，开发出了最大续航里程500km的车辆[17]。日产还与雷诺汽车公司合作投资850亿日元开展FCVs的研发。2008年，日本本田汽车公司开始租售FCXClarityFCVs，其可在-30℃正常启动，续航里程达620km。2015年10月，本田推出一款FCVs，装备了70MPa氢气罐，3min可充满氢气，续航里程超过700km。该款车的最大特点是实现了燃料电池堆的小型化，电能输出密度为3.1kW/L，达到当前世界最高等级。

图4 丰田汽车公司MiraiFCVs

韩国现代汽车公司1998年开始研发FCVs，是FCVs研发领域最早取得显著成绩的汽车制造商。2000年现代首次推出圣达菲FCVs，2006年利用自主研发的FC组装了30台运动型多功能车（Sports UtilityVehicle，SUV）进行示范运行，随着对FC电堆性能的不断改进和更新换代，2012年现代推出第3代SUV型FCVs并进行全球示范。2013年，现代建成第一条FCVs生产线，实现ix35 FCEV首次量产，如图5所示，成为全球首家量产FCVs的汽车制造商。ix35FCEV采用了输出功率100kW的FC系统，备有两个70MPa的氢瓶，能够储存5.63kg压缩氢气，可续航594公里，最高速度160km/h，可在-20℃以下正常启动行驶。2014年，现代在美国加州举行ix35FCEV上市仪式，标志量产FCVs在美国进入商业化阶段。目前，现代准备推出一款全新FCVs，外观设计借鉴ix35，这款全新SUV最高时速可达187km/h，续航里程850km，有望替代ix35。

图5 现代汽车公司ix35 FCEV

我国的FCVs研发虽然起步较晚，但在国家“十五”、“十一五”和“十二五”规划以及863计划和973计划重大项目支持下，FCVs技术研发取得重大进展，正在逐步缩小与国外先进水平的差距。2003年，在上海国际工业博览会上同济大学推出我国第一辆燃料电池动力样车（超越一号），最高时速105.8km/h，续航里程231km，从0至80km/h加速时间为15.4s，上海汽车集团在荣威750基础上，搭载超越燃料电池动力系统组装出上海牌FCVs，如图6所示，该车最高时速150 km/h，续航里程300km，百公里时速加速时间15s[11]。在2008年北京奥运会、2010年上海世博会以及2011年深圳大运会期间，北汽福田/清华、上海大众/同济、长安志翔以及五洲龙等燃料电池汽车进行了示范运行[18]，在北京奥运会上帕萨特FCVs单车行驶里程达到5200km，在上海世博会上FCB单车最长里程达到6600km[19]，这些示范运行项目说明我国FCVs技术取得了明显的进步。2012年1月，同济大学牵头成立了有多所大学、研究机构和汽车企业参加的“中国燃料电池汽车技术创新战略联盟”，集中国内FCVs研发和生产的优势力量，根据FCVs产业发展的技术需求，合作攻关、自主创新，促进了我国FCVs产业化进程。2014年9月，大连新能源车展示了由长城电工与上汽集团合作生产的国内首台取得销售许可的FCVs，最高时速达150km/h，续航里程达500km，标志我国FCVs已进入商业化。然而，与国外先进汽车生产企业相比，我国FCVs在可靠性、耐久性、低温启动以及供氢系统等方面还有较大差距。划2020年前上市。在欧洲，欧盟规划到2020年车用FC实现商业化运行，并且按照综合性示范运行、扩展燃料供应网络、进入欧洲主要汽车市场和实现大规模商业化运行四个阶段实现FCVs商业化。欧盟主要国家也相继布局FCVs市场，比如，英国计划到2030年FCVs达160万辆左右，至2050年实现FCVs市场占有率30%～50%。在亚洲，日本政府支持并引导车企研发FCVs，实行限购政策，面向丰田、本田、日产等车企购买FCVs。日本大力推动FCVs的商业化发展，规划2010～2020年为初步普及阶段，2020～2030年为实际普及阶段，并计划到2030年FCVs达1500万辆，占日本汽车市场的1/5左右。韩国政府计划到2030年FCVs将占新车总销量的10%，制定了购买FCVs的国家补贴标准和各种优惠政策，同时帮助车企降低生产成本。现代汽车集团继续加快FC技术研发和推广应用，将有助于推进韩国FCVs市场化发展。

图6 上海牌FCVs

在我国，2012年6月国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》将FCVs列入其中，规划了FCVs的研发将在关键基础器件、FC系统、基础设施与示范等方面加大投入力度，争取与世界同步发展。2015年5月，国务院印发的《中国制造2025》提出将继续支持FCVs发展，自主品牌的FCVs要与国际先进水平接轨，实现关键材料和零部件国产化。到2020年，FC寿命达到5000h国际水平，功率密度2.5kW/L，续航里程500km，耐久性150000km，加氢时间3min，-30℃以下正常启动，将生产1000辆FCVs并示范运行；到2025年，实现FCVs区域小规模运行。2016年8月，由全球环境基金和联合国开发计划署支持的“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目正式启动，项目拟在北京、上海、郑州、佛山、盐城等城市开展百辆级FCVs等商业化示范运行，促进FCVs在中国的商业化发展。这些支持政策和措施的实施必将为我国FCVs技术提升及市场化发展奠定良好基础。

三、燃料电池汽车的发展前景

目前，为了鼓励FCVs的研发和商业化，世界各国政府出台了相应措施和支持政策，对FCVs的推广使用充满期待。在美国，能源部和汽车研究理事会通过政府与车企协作方式共同研发FCVs技术和燃料氢供应技术，政府通过政策和资金支持促进FCVs商业化进程。比如，2016年能源部拨款600万美元资助福特汽车公司与洛斯阿拉莫斯国家实验室开展FC科技研究，开发FC用低成本产品系统，确保美国清洁能源汽车研发工作处于领先水平。在车企合作方面，通用与本田合作致力于开发下一代FC系统和储氢技术，并计

四、结语

燃料电池作为一种新型清洁能源，经过半个多世纪的研发，技术逐步趋向成熟，已在很多领域得到应用，特别是在汽车领域的应用空前迅速，受到各国政府的广泛关注和政策支持。FCVs的研究与开发利用一直受到高度重视，尽管车用燃料电池的寿命、成本、性能等还需进一步优化，但汽车企业已经开始FCVs产业化准备，有的甚至宣布进入量产阶段。相信，随着燃料电池技术和整车生产技术的进步以及配套基础设施的建设与完善，FCVs的产业化前景将会更加广阔。

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[责任编辑 郑丽娟]

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

赵东江（1965-），男，黑龙江兰西人，绥化学院食品与制药工程学院教授，博士，研究方向：燃料电池。

绥化市科技计划项目(SHKJ2015-001)。