车用燃料电池的发展研究

新能源汽车收稿日期 : 2008 - 07 - 30车用燃料电池的发展研究满开美 张富兴 (中国汽车技术研究中心 )王 刚 (武汉理工大学 )【 摘要 】 介绍了燃料电池的原理 、 分类和特点 。 阐述了国内外燃料电池汽车的发展动态 ,分析了我国现阶段对于燃料电池汽车采取的态度 ,预测了世界燃料电池的发展动态 。【 主题词 】 燃料电池 汽车 研究1 燃料电池概述燃料电池实质上是电化学反应发生器 。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧直接转化为电能 ,实际上就是一个电解水的逆过程 ,通过氢氧的化学反应生成水并释放电能 。氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂 。燃料电池的种类繁多 ,通常燃料电池可以依据其工作温度 、 燃料种类 、 电解质类型进行分类 。燃料电池按照电解质来划分 ,大致上可分为 5类 :碱性燃料电池 (AFC ) ;磷酸型燃料电池 ( PAFC ) ;固体氧化物燃料电池 (SOFC) ; 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC ) ;质子交换膜燃料电池 ( PEMFC )。表 1列举了 5种燃料电池 ,并对其主要特征进行了比较 。2 燃料电池的发展应用现状2. 1 国外情况燃料电池具有高效 、 洁净 、 功率密度高及模块化结构等突出的特点 ,这决定了它在固定发电系统 、 现场用电源 、 分布式电源 、 空间飞行器电源及交通工具用电源方面有广阔的应用前景 。表 1 5种燃料电池的主要特征比较类型项目 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC电解质 KOH2H2O H3PO4 Na2CO3 ZrO2 2Y2O3 含氟质子 交换膜工作温度(℃ ) 60～ 120 170～ 210 60～ 650 ≈ 1 000 ≈ 80氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气或氧特征高效率对CO 2敏感有腐蚀效率较低有腐蚀效率高控制复杂有腐蚀效率高运行温度高有腐蚀比功率高运行灵活无腐蚀效率 ( % ) 60～ 70 40～ 50 >60 >60 >60起动时间(h) 几分钟 2～ 4 >10 >10几分钟(室温起动 )主要领域 航天、 军事大客车、 中小电厂、 固定式用途大型电厂大型电厂、热站 ,固定式用途航天、 军事、汽车、 固定式用途军事应用应该是燃料电池最主要 、 最适合的市场 。 高效 、 多面性 、 使用时间长 、 安静的工作环境使燃料电池极适合于军事工作 。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置 — — — 从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力 。自 20世纪80年代以来 ,美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力 。在 20世纪 80年代航天飞机开始飞行时 , Pratt大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果 ; 在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争 ,而且在市场份额方面 ,我国可以并且有能力占有一定比例 。但是我国在 PAFC、 MCFC、 SOFC的研究方面还有较大的差距 ,目前仍处于研制阶段 。3 燃料电池发展前景及发展瓶颈分析3. 1 燃料电池发展前景燃料电池发电装置每发电 1 000 kW h排出的?8? 上海汽车 2008111 新能源汽车污染物小于 30 g,而常规燃烧装置为 1113 kg左右 。据统计 ,2005年全球拥有 50万个固定的 (静止式 )燃料电池装置 ,到 2010年 ,将有 250万户家庭使用燃料电池 ,同时全球拥有 60万台燃料电池汽车 ,占世界汽车生产量的 1% 。 2005年 ,从事燃料电池开发的公司总投资额已超过 10亿美元 。预计到 2010年左右 ,燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力 。届时 ,美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场 4%的份额 ,日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的 4. 5%和 3. 7%。 到 2020年 ,燃料电池汽车将占世界汽车市场的 25% 。 表 2列出美国新一代运输用汽车市场价值 。表 2 美国新一代运输汽车市场价值年份 1998(百万美元 ) 2000(百万美元 ) 2002(百万美元 ) 2007(百万美元 ) 2002～ 2007年均增长率 (%)燃 料 电 池 汽 车 0. 55 1. 10 2. 25 47. 60 84. 10混合型汽车 2. 50 198. 90 719. 00 2 293. 00 26. 10纯电动汽车 1 984. 00 2 264. 00 2 707. 70 3 627. 00 6. 00合计 1 987. 05 2 464. 00 3 428. 95 5 967. 60 11. 70燃料电池汽车市场虽还不大 ,美国 2002年为225万美元 ,但后 5年内 ,年均增长率为 84% , 2007年达到 4760万美元 。大多数汽车制造商都看好PEM 燃料电池汽车技术 。 车载燃料电池组件市场现为 1. 2亿美元 ,但今后 5年内 ,预计年均增长率为 91% 。 据估计 ,全球燃料电池市场到 2011年将达到 350亿美元 , 2013年将达 380亿美元 。静止式燃料电池市场将从 2008 年 20亿美元增大到2013年 100亿美元 ,便携式燃料电池市场 2013年将达 250亿美元 ,汽车燃料电池市场将从 2008年6亿美元增大到 2013年 100亿美元 。3. 2 存在问题及难点燃料电池近些年来取得了很大进展 ,但由于目前还存在一些难以在短期内解决的技术问题 ,因此 ,影响了它的实用化进程 。存在的主要问题及难点有以下几个方面 。(1) 成本问题日前 ,固体高分子交换膜燃料电池还须用贵金属铂作为催化剂 ,不仅价格昂贵 ,而且产量小 。因此 ,必须研究出铂的代用材料 ,固体高分子交换膜燃料电池方有可能大量推广使用 。(2) 氢源问题包括氢的制备 、 储存与运输 。氢通常通过电解水获取 。但是从长远考虑 ,氢必须通过可再生能源获得 ,如生物能 、 水电能 、 太阳能 、 风能或地热能 。 对于燃料电池汽车来说 ,固态氢是用金属及合金的氢化物吸附氢 ,储氢效率高 ,安全性好 ,是目前最理想的储氢方式 。(3) 加氢站网络投资大若用纯氢 ,需要投巨资建立加氢站网络 。若采用其他燃料 ,也需要建立相应的加注网络 。4 结语燃料电池技术的飞速发展 ,使人们看到了当前人类社会发展所面临的能源和环保两个棘手的重大问题得到解决的希望 。虽然距燃料电池技术的成熟 、 推广应用还有很长的路和许多需要克服的难关 ,但是有理由相信 ,燃料电池技术将会给我们的社会和经济生活带来翻天覆地的变化 。参考文献1 刘凤君 . 高效环保的燃料电池发电系统及其应用 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2006.2 陈全世 ,仇斌 . 燃料电池电动汽车 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2005.3 杨贵恒 ,吕林 ,杨极 . 质子交换膜燃料电池及其在汽车上的应用 [ J ] 1上海汽车 , 2004. 06.4 Report to Departm ent of Energy1Cost Analysis of Fuel CellSystem for Transportation, 2001.5 Kim berly J. Martin, Patrick J. Szary. Fabrication and Testingof a Hybrid Electric Vehicle U tilizing a Proton Exchange Membrane( PEM ) Fuel Cell, SAE 2000 - 01 - 1552.AbstractThe princip le, classification and characteristic ofthe fuel cell are introduced. The development trend ofthe fuel cell vehicle both at home and abroad is expa2tiated, the attitude to the fuel cell vehicle taken byChina nowadays is analyzedand the development trendof the fuel cell vehicle in the world is forecasted.?9? 上海汽车 2008111