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第一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。拉力赛最终取得了完美的成功，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，尤其是交通运输的最佳驱动电源。 　　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专利保护，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，运输工具是最有竞争力、前景最被看好的应用领域，另外，对于开发环保型汽车，我们可以看到燃料电池汽车（FECEV）是最有潜力的。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最主要的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、最低冷起动温度为-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高效率系统。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最大输出功率为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（最大）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，最高车速约为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，最高时速每小时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、零部件和技术支持，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，最高车速l13km/h，最大驱动功率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第一辆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；最大总质量5928kg；最高车速(满载)60km/h；最大爬坡度(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(