燃料電池汽車存在的優(yōu)點令人期待并受到矚目，許多國家的企業(yè)和研究機構(gòu)在燃料電池組的一體化、燃料處理器和輔助裝置等方面，正在朝著高技術(shù)集成、降低成本和商業(yè)化方向進行著不懈的努力。燃料電池公交汽車雖非指日可待但也正在向我們走來。
燃料電池汽車（FCV：Fuel Cell Vehicle）與電動汽車的根本區(qū)別在于：燃料電池是一種發(fā)電裝置，既不像非充電電池那樣用完后丟棄，也不像充電電池那樣需要經(jīng)常充電，使用過程中只需為燃料電池添加燃料即可維持電力持續(xù)使用。由于其能量是通過氫氣和氧氣的化學作用（并非經(jīng)過燃燒）直接變成電能的，化學反應過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，并且能量轉(zhuǎn)換效率也比內(nèi)燃機要高2～3倍。從能源利用效率和環(huán)境影響進行綜合評價，燃料電池汽車是一種理想的清潔能源汽車。
1 燃料電池汽車
1）燃料電池汽車的基本構(gòu)造
燃料電池汽車主要由貯氫罐、燃料電池組、電機控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機、超級電容或輔助蓄電池及熱交換器等部件組成。由圖1可以看出，燃料電池汽車與純電動公交汽車的主要區(qū)別是電力來源方式的不同。
圖1 燃料電池汽車的基本構(gòu)造
2）燃料電池的工作原理
燃料電池雖然稱電池但不是電池，而是相當于一臺氫燃料發(fā)電機。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。
工作時給負極供給燃料(氫)，給正極供給氧化劑(空氣)。氫在負極分解成正離子H＋和電子e-：2H2→4H++4e-，氫離子進入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路(含負載)移向正極（圖2）。
氧在正極獲得氫離子和電子反應為水：O2+4H++4e- →2H2O�？梢娺@正是水的電解反應的逆過程(圖2)，且燃料電池唯一的排放物是水。燃料電池所使用的燃料有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料，汽油、柴油和天然氣等燃料，有機燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，即可成為燃料電池的燃料。
最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在已發(fā)展為直接使用的固體電解質(zhì)材料。
圖2 燃料電池的發(fā)電原理
3）燃料的供給方法
氫燃料電池汽車的燃料供應通常為三種方式：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。
用壓縮氣體罐貯存的氫，由于能量密度低使續(xù)駛里程受到限制，一般只能供燃料電池汽車行駛150km左右。此外，由于氫氣是最小的分子，故很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都會造成可怕的安全事故。
采用-253℃深度致冷技術(shù)使之成為液態(tài)，雖然能量密度高但由于熱絕緣技術(shù)存在一定難度，并且由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)過程中能量損失大，將其推向市場還存在較大技術(shù)難題。
可喜的是，儲氫材料的開發(fā)已取得令人鼓舞的進展。氫的化學特性活躍，它可以同許多金屬或合金化合，吸收氫之后形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，并且這類金屬氫化物在一定溫度條件下會分解，把所吸收的氫釋放出來，成了一種良好的貯氫材料。還有，具有復雜的納米結(jié)構(gòu)的石墨纖維，其單位質(zhì)量可以吸收20%的氫氣。
2 燃料電池汽車的優(yōu)點
1）發(fā)電效率很高
燃料電池采用化學能直接轉(zhuǎn)換電能的發(fā)電方式（圖3），而火力發(fā)電是將煤炭、石油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成為動能，然后再將動能轉(zhuǎn)換成電能使發(fā)電效率大打折扣。如：石油發(fā)電的綜合能源利用效率不過35.3%，而氫燃料電池的最大發(fā)電效率可達82.9%，相當于石油發(fā)電效率的2.35倍。
a)燃料電池發(fā)電
b)火力發(fā)電
圖3 兩種發(fā)電方式的流程與效率對比
2）無送電損失
燃料電池可在使用場所將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能，如：汽車、車間、住宅等現(xiàn)場直接發(fā)電并向用電設(shè)備直接傳送，所以不存在送電損失問題。而火力發(fā)電的遠距離送變電損失則高達6%左右。
3）環(huán)境負荷小
燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。而火力發(fā)電伴隨能源的燃燒會向大氣排放各種有害物質(zhì)和大量CO2。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源。
4）燃料類型廣泛
燃料電池發(fā)電時所用的燃料是氫和氧，其中氧可以從空氣中直接獲取，實際工作時所需燃料只有氫。制取氫所使用的燃料則是多樣化的，如：天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）形成循環(huán)利用系統(tǒng)，這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠地區(qū)，使系統(tǒng)建設(shè)成本和運行成本降低。由此可以降低人類對石油的依賴性，符合應對石油匱乏的全球能源戰(zhàn)略。
5）經(jīng)濟性好
試驗表明，氫燃料電池車輛的能耗經(jīng)濟性可達到傳統(tǒng)汽油車的2～3倍，從節(jié)約能源的角度來看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于用內(nèi)燃機的普通汽車。
3 燃料電池汽車的開發(fā)現(xiàn)狀
1）概況
由于燃料電池汽車，尤其氫燃料電池汽車可以實現(xiàn)零污染排放，驅(qū)動系統(tǒng)幾乎無噪音，且氫能取之不盡、用之不竭，使燃料電池汽車成為近年來汽車企業(yè)關(guān)注的焦點。為了獲得競爭優(yōu)勢，各國紛紛出臺政策，加速推進燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。2008年5月20日，歐洲議會通過《氫能源和燃料電池聯(lián)合技術(shù)發(fā)展計劃》，提供10億歐元科研經(jīng)費，用于燃料電池技術(shù)的研究。英國、德國、法國等也在近期加大了對氫燃料電池的研發(fā)資助力度。在美國，能源部制定的“氫計劃”，在未來5年內(nèi)投入30多億美元開發(fā)氫燃料技術(shù)，逐步加大燃料電池汽車的市場份額。
預計到2010年，世界燃料電池汽車將發(fā)展到４萬輛，其市場構(gòu)成比例分別為：歐洲占40.5%，美國占38.0%，日本約占20.3%。
在我國，燃料電池汽車是“十五”期間全國12個重大研究專項之一。其中，質(zhì)子膜關(guān)鍵技術(shù)被列為山東省第一號科技攻關(guān)項目，取得了重大突破。遼寧新源動力股份有限公司承接國家“863”重大科研項目，研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料電池系統(tǒng)、燃料電池電站、便攜式電源等產(chǎn)品。在“十一五”期間，我國將繼續(xù)加大對燃料電池汽車的研發(fā)投入，推動核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。與汽車工業(yè)發(fā)達國家相比，我國發(fā)展新能源汽車雖然起步不晚，但國內(nèi)汽車企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)并不先進，存在核心技術(shù)“卡殼”的瓶頸，使國產(chǎn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)。
2）日本的發(fā)展路線
日本燃料電池的開發(fā)基本上由政府計劃和引導，并且號稱在燃料電池汽車諸多領(lǐng)域取得領(lǐng)先。從日本新能源開發(fā)組織（NEDO）制定的分階段發(fā)展路線和關(guān)鍵技術(shù)目標（表1）中，我們不僅看到燃料電池的發(fā)展?jié)摿芫哂形�，同時也能衡量出我們存在的差距。結(jié)合我國政府制定的發(fā)展計劃和行業(yè)發(fā)展水平，也許能幫助我們推測出燃料電池公交汽車走進我國城市生活的大體日程。
表1 日本ＮＥＤＯ制定的分階段發(fā)展路線和關(guān)鍵技術(shù)目標
注：①資料來自“NEDO氫燃料電池技術(shù)開發(fā)路線（2008版）”。
②目前1萬日元≈700元。
③耐久性指標中，1h≈48km。
4 燃料電池汽車技術(shù)動向與課題
1）小型化
燃料電池組的小型化對增大公交汽車的有效利用空間意義重大，是整車制造企業(yè)優(yōu)先考慮的課題，也是公交汽車用戶普遍關(guān)心的問題。影響燃料電池體積的技術(shù)指是“輸出功率密度/體積（W/L）”。日本規(guī)定輸出功率密度與體積之比達到2 kW/L這一水平才能認定為小型化。并將燃料電池隔膜材料及工藝的研究列為重點課題之一。
2）續(xù)駛里程
氫燃料電池汽車與純電動汽車同樣面臨續(xù)航能力的課題，目標是使其具有象傳統(tǒng)燃油汽車那樣的便利性。國外最近成功研發(fā)了具有代表性的70 MPa車載氫貯存裝置，一次加注氫燃料后的續(xù)駛里程可達到830 km。這標志著燃料電池公交汽車的續(xù)駛里程能夠隨著燃料電池汽車的發(fā)展同步提高。況且，公交汽車的行駛范圍更便于加注燃料。
3）低溫起動性
氫燃料汽車的低溫起動性能限制了汽車的應用范圍，一直作為一個技術(shù)難題受到行業(yè)關(guān)注并持續(xù)進行全力破解�？上驳氖�，目前國外已有少數(shù)企業(yè)突破了這一技術(shù)瓶頸，號稱-30℃寒冷環(huán)境下的低溫起動性能已經(jīng)通過了試驗與驗證。但-40℃的低溫起動目標尚未突破。
4）耐久性
燃料電池汽車的耐久性集中在燃料電池上。日本豐田汽車公司發(fā)表了燃料電池的膜-電極接合體（MEA：Membrane Electrode Assembly）4階段耐久性改善計劃，在系統(tǒng)泄漏、觸媒電極退化導致的電壓下降等關(guān)鍵材料和技術(shù)方面分階段提高，使系統(tǒng)的耐久性大幅改善。技術(shù)目標為：燃料電池系統(tǒng)性能下降至30%時的壽命提高至25年；系統(tǒng)性能下降至10%的壽命提高至15年。在防止燃料交叉泄漏方面也將實現(xiàn)突破性改善。
影響燃料電池材料（MEA）使用壽命和性能的一個重要的關(guān)聯(lián)要素是氫燃料的純度。目前國際標準規(guī)定氫純度為99.99%，并且對CO和硫磺成分的混入量提出了嚴格限制標準。上述不良成分對燃料電池的影響極大，然而高純度氫的制取與氫生產(chǎn)成本互為矛盾，需要二者合理兼顧。所以，在氫燃料達標范圍內(nèi)提高燃料電池的使用壽命便成了永久的課題。
5）降低成本
成本是推廣燃料電池汽車的最大障礙。在取得電池組小型化、提高續(xù)駛里程、改善低溫起動性能、滿足耐久性使用要求的前提下，降低成本、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商品化成為必須實現(xiàn)的目標。為實現(xiàn)續(xù)駛里程830 km的目標，將貯氫罐的耐壓能力由35 MPa提高到70 MPa，采用碳纖維材料制作耐高壓貯氫罐將使成本大幅增加。
除此之外，降低燃料電池的外圍設(shè)備的成本也不可忽視。比如，研制高溫、低溫無需加濕條件也可運轉(zhuǎn)的電池組；實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)、加濕裝置等外圍設(shè)備的簡單化、低成本化等。
日本提出，到2030年使燃料電池成本降低至目前的1/100；整車售價由目前的數(shù)千萬日元降低到數(shù)百萬日元。到2020年，使燃料電池汽車的售價與普通汽車價格相當。
6）氫燃料的回收
從降低氫燃料消耗的理念出發(fā)，燃料電池排出口的氫燃料回收再利用技術(shù)同樣引起重視。為此，在氫燃料中保有適量非活性的氦氣，也是氫燃料制取中需要考慮的課題。
通過以上分析可以看出，以氫為動力的燃料電池汽車是最理想的新能源汽車，但面臨的技術(shù)門檻和經(jīng)濟性障礙仍需要一定的時間才能逐一攻破。從目前的研發(fā)水平看來，世界級的領(lǐng)先企業(yè)和研究機構(gòu)已經(jīng)取得了研制新一代燃料電池汽車的技術(shù)途徑，核心技術(shù)則聚焦在降低成本和提高壽命上，這些問題一旦得到解決，燃料電池汽車即可“破繭成蝶”，燃料電池公交汽車也將同時實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進入城市公共交通體系。
