燃料电池电动汽车前景分析

Vol．14 No．1 Feb．2009 燃料电池电动汽车前景分析 桂长清 （中船重工第七一二研究所，湖北 武汉 430064） 摘要：燃料电池具有能量转换效率高和“零排放”特点，因而成为电动汽车的候选电源。 分析了各国 燃料电池电动汽车的开发情况，结果表明，燃料电池系统使用寿命太短，成本价格太高，系统可靠性 有待提高，氢源系统也需要优化；燃料电池汽车的性能/价格比距离市场要求相差太远，离商品化还 有很长的道路。 关键词：电池；燃料电池；汽车；电动汽车 中图分类号：TM911.4；TM912 文献标志码：A 文章编号：1008-7923(2009)01-0044-04 Prospect analysis of electric vehicle powered by fuel cells GUI Chang-qing （No.712 Research Institute, China Shipbuilding Industry Co., Wuan ,Hubei 430064, China） Abstract： Fuel cells, having the characteristics of higher energy transfer efficiency and "null emission", become excellent power sources for electric vehicles. The development situation of fuel cell vehicle in some countries was analyzed. It was pointed out that the service life of fuel tell system was too short, and the cost was too expensive, the reliability should be raised, the hydrogen source system should be optimized. The ratio of performance to cost of fuel cell EV was too far behind the market demands. And there would be a long way to commercialization of fuel cell vehicles. Key words: battery; fuel cell; car; electric vehicle 收稿日期：2008-10-05 作者简介：桂长清 (1938-)，男，安徽省人，研究员 Biography: GUI Chang-qing(1938-),male, research fellow. 燃料电池是一种通过电化学反应的方式将燃料 和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置， 具有高 的能量转换效率和“零排放”特点，早就成为电动汽 车的候选电源。 世界上第一轮燃料电池汽车研发高 潮是在 1991~2000 年左右。 当时各大汽车厂家都在 加紧开发燃料电池技术， 企业界纷纷投入数十亿美 元巨资，组成联盟，进行燃料电池汽车的相关研究和 试验。 人们曾经预计到 2004年燃料电池汽车将能够 批量生产，实现产业化。 但是发展结果却并非如此。 事实让人们开始认识到燃料电池要走向商业化，还 有一段漫长的道路要走。 作者在分析了世界各主要国家燃料电池汽车的 研发过程和现状后， 探索燃料电池汽车离正式进入 市场的差距到底有多远， 也许对我们冷静地看待燃 料电池汽车今后的发展道路会有所帮助。 1 各国燃料电池汽车开发概况 1.1 美国 美国能源伙伴公司（Energy Partner Co.）于 1991 年研制出 15 kW 质子交换膜燃料电池， 装在命名为 “EP Green Car”的汽车上作动力，它是使用氢和空气 电池工业 Chinese Battery Industry第 14卷第 1期 2009年 2月 44 电池工业 Chinese Battery Industry Vol．14 No．1 Feb．2009 第 14卷第 1期 2009年 2月 电池工业 Chinese Battery Industry 作反应剂，采用燃料电池和蓄电池组成的混合电源。 燃料电池动力输出功率 15 kW， 标称电压 125 V，电 流 120 A， 汽车时速从 0 到 30 km 的加速时间为 10 s，行程达 60 km。 1994 年，该公司还研制了采用质子 交换膜燃料电池作动力的高尔夫车，功率 7.5 kW，该 车最大时速 15 km，行程达 72 km。 美国通用汽车公司在 1998 年展出了第一辆质 子交换膜燃料电池车 Zafira， 采用甲醇重整供氢，时 速可达 75 km，从 0 至 60 km/h 加速时间只需 20s；接 着该公司又开发出几种新型燃料电池汽车， 其中使 用液氢燃料电池的零排放概念车“氢动一号”，加速 快，操作灵活，从 0 至 100 km/h 加速仅 16 s，最高时 速可达 140 km，续驶里程 400 km。2004 年“通用汽车 公司”的燃料电池车 HydroGen3 改型，完成了近万公 里的马拉松测试[1]。 2007 年， 通用汽车公司的 100 辆雪佛兰 Seguel 氢燃料电池车分别在加州西部、 纽约州及华盛顿州 试用。 在中国， 该公司与上汽合作的 “氢动 3 号” HydroGen3已经开始示范运行[2]。 2004 年 5月，美国“戴姆勒-克莱斯勒公司”生产 的 3 辆燃料电池公共汽车， 在北京街头做商业化示 范，把参加“第二届国际氢能论坛”的与会代表送达 人民大会堂会场。 截至 2005 年 9 月，该公司生产的 200辆燃料电池汽车相继出现于欧洲及美国、日本和 新加坡的街头。 戴姆勒-克莱斯勒公司推出的 NECAR 5 燃料电 池动力汽车，是该公司开发的第 5 代燃料电池汽车。 它由 Ballard燃料电池驱动系统带动， 该系统包括车 载甲醇重整器。 该车于 2002 年在美国已完成了约 4800 km的行车试验。 1.2 日本 日本丰田公司在 1996 年推出了使用金属氢化 物为燃料的燃料电池动力汽车 。 2002 年推出的 FCHV使用高压氢为燃料。该车以每月 1万美元的价 格租了 6辆给美国大学，10辆租给日本地方政府。然 而在 2003 年 3 月，该公司召回了其出租的 6 辆燃料 电池汽车， 并宣布推迟另外 6 辆燃料电池汽车的租 赁， 原因是贮氢燃料的高压氢气罐在加注氢气时出 现了泄漏[3]。 日本本田公司从 2000 年开始采用了燃料电池 与超级电容器组合起来的混合动力汽车。 日本政府 从 2002 年开始以每月每辆 6 500美元的价格租用这 种燃料电池混合动力汽车。 1.3 加拿大 加拿大巴拉德公司是从事质子交换膜燃料电池 （PEMFC）技术研究和开发的世界先驱。 正是由于该 公司首先采用美国 DOW 公司的全氟磺酸型质子交 换膜研制成功了 H2/O2质子交换膜燃料电池，才促成 了世界各国汽车公司投巨资开发燃料电池汽车。 1992 年巴拉德公司开始研制电动车辆用 PEM- FC动力系统，1993 年制出样车， 采用该公司开发的 120 kW 质子交换膜燃料电池组， 使用压缩氢做燃 料，行驶速度 95 km/h，行程可达 400 km。 1.4 中国 （1） 中国 863燃料电池公交车 2001年国家十五“863”电动汽车重大专项“燃料 电池城市客车整车技术的研究与开发” 项目正式启 动。 2002 年底完成第一代城市客车“清能一号”装车 试验并运行成功。 2003 年 9 月完成了第二代城市客 车装车运行。燃料电池发动机累计运行 200h，行驶距 离超过 2 000 km，最高时速为 63 km。 2004 年 4 月采 用“神力公司”的 100 kW 燃料电池发动机，完成了第 三代城市大巴试验。 该公司近年来还对采用燃料电 池和超级电容器的混合动力城市客车进行了和 研究[4]。 2000 年， 大连化学物理研究所研发出第一台 PEMFC 发动机，2001 年与其它单位合作组装了一台 燃料电池中巴(车上同时还有铅蓄电池)，不久后又组 装了一台 30 kW的燃料电池中巴车。 （2） 燃料电池轿车 2001 年，北京开发出“绿能一号”燃料电池轿车。 装载第一代燃料电池发动机的 “超越一号” 于 2003 年 8月在上海问世。 2003 年 12 月，上海神力公司与 上海交通大学联合开发出第二代燃料电池轿车 “超 越二号”， 并试装桑塔纳 3000型车身，整个试装过程 在 2004 年 5 月完成。 该车发动机输出功率 32 kW， 整车加速时间 24.8 s， 行驶里程 168 km， 最高时速 118 km，爬坡度 20%。 第二代燃料电池动力系统与第 一代系统相比更加灵巧和有力， 总重量减少到 320 kg，轻了 100 kg 多，体积缩小 30%以上，功率则提升 了 20%～25%。 接着在 2006 年完成了“超越三号”燃 料电池轿车，其最高时速达到 120 km，一次充氢可行 驶 230 km，比“超越二号”延长很多。 2006 年 12 月 “上海牌”燃料电池轿车的样车问世，从 0 到 100 km/ 45 Vol．14 No．1 Feb．2009 h的加速时间只要 15 s， 其最高时速达到 150 km/h， 一次充氢行驶路程达 300 km。 2006年 8 月， 由中国科学院大连化学物理研究 所等单位自主研发的两辆燃料电池观光示范车在大 连运行。 该车燃料电池输出功率 5 kW，贮氢容器为 碳纤维增强金属瓶。 该车每天运行 5 h， 计划运行 2 年。为了提高燃料电池的效率和寿命，采用燃料电池/ 蓄电池混合动力，该车启动时依靠蓄电池提供动力。 （3） 中国燃料电池商业化示范项目 中国燃料电池商业示范项目是由中国政府、全 球环境基金（GEF）和联合国开发计划署（UNDP）共同 支持的“中国燃料电池公共汽车示范项目”，由中国 国家科技部、北京市、上海市共同组织实施。 总投资 3 200万美元。 实施该项目的目的是为了降低燃料电 池公共汽车的成本， 借助在北京和上海两市同时进 行的燃料电池公共汽车和供氢设施的示范， 加快其 技术转化。 该项目启动会于 2003 年 3 月 27 日在北 京召开。 项目的远期目标是推动燃料电池公共汽车 在中国产业化和推广应用， 减少空气污染和温室气 体排放。 实施该项目，北京市和上海市各采购 6辆燃 料电池公共汽车进行示范运行。 目标是这 12辆车总 共运行 160万公里。 2 燃料电池汽车离商品化还有多远 从国内外燃料电池汽车的研发概况可以看出， 虽然 H2/O2质子交换膜燃料电池已经在各种电动车 上和其它领域内做过了许多演示性试验， 并且取得 了很大进步，但是除了德国潜艇 AIP 系统[5]中使用的 燃料电池系统取得了市场认可以外,其他试验汽车均 没有正式进入市场。 其主要原因是燃料电池汽车的 实际性能/价格比跟市场的要求相差太远。 （1） 车用燃料电池系统使用寿命太短 一般说来， 私人小轿车要求燃料电池使用寿命 达到 5 000 h 以上；卡车和公交车要求燃料电池使用 寿命达到 5 000 h~10 000 h [6]。 巴拉德公司在试验室内用纯氢做电池寿命试 验，经过 9 000 h 的考验，平均电压下降速度只有 4 mV/（1 000 h）， 因而预测电池寿命可以达到 20 000 h，但实际上的电池使用寿命也只有 2 200 h，只达到 预测的 1/10。 荷兰设计的 PEMFC 可以连续工作 40 000 h，但在汽车上应用, 使用寿命只有 3 000 h，不到 电池设计寿命时间的 1/10。 我国燃料电池使用寿命 只有 1 500 h [7-9]，上海神力公司开发的城市大巴发动 机中用的燃料电池堆模块已经通过 2 000 h 的稳定 可靠性试验，性能下降不超过 10%[2]，但实际运行却 只有 200 h。 造成燃料电池系统使用寿命只有设计寿命的 1/ 10这么大差距的根本原因， 就在于实验室寿命试验 是在严格的条件下进行的：电池的输出是恒定的；电 池本体的温度、湿度、排热、排水是稳定的；氢源和氧 源是纯净的、 稳定的； 它们之间的相互配合是最佳 的。 但在电动汽车实际运行过程中，这些条件就得不 到保证了。 例如，电池的输出瞬间多变；燃料电池排 水会受到汽车震动频率和方向的影响； 燃料电池的 输出能力会受到进气纯度和压力的影响。 在日本曾 经出现过燃料电池汽车经过温泉附近电池性能出现 突然下降， 其原因是火山附近空气中的硫化氢引起 电池催化剂中毒所致。 这就要求燃料电池系统提高 对湿度、温度和杂质气体的适应能力。 （2） 燃料电池系统能量效率和比功率有待提高 H2/O2质子交换膜燃料电池的最大输出功率密度 是在电池电压达到 0.5 V附近出现。但从整个电池的 能量转换效率来看， 电池的工作电压取 0.6～0.8V 为 宜[10]。 电池的输出功率和能量转换效率存在着密切的 关系。文献[11]报道了 40 kW质子交换膜燃料电池系 统的燃料转化效率跟电池输出功率之间的关系。 当 电池在额定输出功率 40 kW 条件下工作时, 其燃料 转换效率只有 35% ~ 40%。 不仅如此，如果考虑到燃 料电池系统中辅机消耗的能量， 以及配套系统的重 量和体积，则整个系统的能量转换效率和比能量、比 功率会进一步下降。 这就部分抵消了燃料电池具有 能量转换效率高的优点。 例如，虽然燃料电池堆的功 率密度可以做到 1 kW/L， 但整个燃料电池发动机系 统的功率密度只有 75~100 W/L。 （3） 燃料电池动力系统的可靠性有待深入研究 燃料电池动力系统是由燃料电池堆 （或称燃料 电池本体）、氢源系统、氧源系统和控制系统组成的。 每一个系统又包括数个子系统。 例如氢源系统就包 含氢气制造、净化、压力调节和控制系统；氢气输送、 安全防护等子系统。 燃料电池堆也包含电池排热、排 水、保温、保湿、冷却等子系统。 因此燃料电池动力系 统的研制和运行过程是一个相当复杂的系统。 在燃料电池系统中，任何一个子系统、组件、元件出 电池工业 Chinese Battery Industry桂长清：燃料电池电动汽车前景分析 46 电池工业 Chinese Battery Industry Vol．14 No．1 Feb．2009 第 14卷第 1期 2009年 2月 电池工业 Chinese Battery Industry 现故障或失效，都会给整个燃料电池系统带来影响， 甚至引起电池失效。 将可靠性工程原理应用到一个系统工程的研究 设计、生产制造和使用维护工作中去，是提高系统可 靠性的有效措施。 为促进燃料电池汽车早日上市，必 需有强有力的统一领导和严密的分工协作。 不能各 自为政、相互保密，做一些重复性工作。 （4） 燃料电池汽车的价格太高 一辆装有燃料电池的电动自行车样车要卖几万 元 [7]， 国外也有人估计目前每台燃料电池轿车需要 100 万～200 万美元， 但普通轿车只要 1.8 万～2 万美 元，相差 50～100 倍。 这么大的差距市场是不会认可 的。 那么燃料电池贵在哪里呢？ 目前， 双极板约占整个质子交换膜燃料电池总 重量的 70%~80%， 成本约占总成本的 40%~50%[1]。 要降低质子交换膜燃料电池总成本， 那么寻求和设 计价廉物美的双极板，就成为至关重要的事了。 再者，燃料电池电极中使用的贵金属催化剂铂， 是引起电池价格高扬的重要因素。 到目前为止，还没 有找到一个价廉物美的非贵金属催化剂。 （5） 车载氢源也是难题 已经试验过的车载氢源有：高压气态氢、金属氢 化物储存氢、甲醇重整制造氢、氢硼化钠制氢等，但 都没有得到令人满意的结果。 一次加料最多只能行 驶 250~300 km，约是普通汽车行程的一半；有的因为 价格太高，有的因为应答性满足不了要求。 3 燃料电池汽车前景展望 任何一种产品要想占领市场，它必须在性能 ／价 格比或费 ／效比指标上能够被广大消费者所接受。 燃 料电池汽车也必然遵循这一市场规律。 燃料电池汽 车要取代的是普通汽车， 但它的性能 ／价格比或费 ／ 效比指标跟市场的要求相差太远， 这才使开发燃料 电池电动汽车的人们认识到： 燃料电池汽车要得到 市场的认可，还有一段说不清楚的漫长的路要走。 燃料电池在电动汽车领域也遇到重重困难。 20 世纪 50-60 年代， 世界各国试图将燃料电池用于潜 艇作为主动力能源，取消柴油机和蓄电池组，虽经多 年的努力，但结果也是困难重重无法实现。 但德国改 变了思路，保留原来的柴油机和蓄电池组，在潜艇中 增加了 AIP 动力系统， 使潜艇在水下的续航里程延 长了 4 倍。 结果使燃料电池在潜艇 AIP 动力系统中 如鱼得水、大显身手 [5]。 燃料电池在不同场合会有不 同的境遇，这是值得令人深思的。 燃料电池电动汽车 正面跟燃油汽车交锋占不到优势， 能不能像在潜艇 AIP动力系统中那样，迂回前进而出现柳暗花明的前 景呢？ 参考文献: [1] 毛宗强.燃料电池[M]. 北京： 化学工业出版社，2005. 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