1、宜賓職業技術學院宜賓職業技術學院畢業論文題目題目：燃料電池汽車現狀與發展趨勢：燃料電池汽車現狀與發展趨勢系系 部部 現 代 制 造 工 程 系 專專 業業 名名 稱稱 新 能 源 汽 車 技 術 專 業班班 級級 新 能 源 汽 車 11201 班 姓姓 名名 * * 學學 號號 201210388 指指 導導 教教 師師 王 詩 平 2014 年年 09 月月 25 日日淺析燃料電池汽車現狀與發展趨勢淺析燃料電池汽車現狀與發展趨勢摘 要隨著汽車的發展，傳統汽車工業的可持續發展面臨著環境污染和能源短缺的雙重壓力。改變汽車動力系統已成為必然之勢，而燃料電池汽車的發展則成為重中之重。本文從燃料電池

2、汽車的研究背景入題，綜合介紹了燃料電池系統和燃料電池汽車系統的組成與工作原理、國內外的技術現狀、全面發展的優勢和發展中所面臨的問題以及對發展趨勢的分析。關鍵詞：燃料電池；燃料電池汽車；汽車結構；節能環保I 目目 錄錄1 前言.12 燃料電池汽車的結構原理.32.1 燃料電池系統的組成和工作原理.42.2 燃料電池汽車的系統組成和工作原理.6 2.2.1 燃料電池單獨驅動汽車動力系統.7 2.2.2 燃料電池混合動力汽車動力系統.82.3 典型的燃料電池汽車結構.103 燃料電池汽車的現狀分析.153.1 國外燃料電池汽車的現狀.153.1.1 美洲燃料電池汽車的現狀.163.1.2 歐洲燃料電

3、池汽車的現狀.163.1.3 亞洲燃料電池汽車的現狀.173.2 我國燃料電池汽車的現狀.173.3 國內外技術現狀的對比分析.193.3.1 燃料電池汽車整車集成技術.193.3.2 燃料電池汽車發動機技術.203.3.3 高壓儲氫系統技術.22 3.4 燃料電池汽車與純電動汽車的對比分析.224 4 燃料電池汽車發展趨勢的分析.234.1 燃料電池汽車的發展優勢.234.2 燃料電池汽車發展所面臨的問題.234.3 燃料電池汽車的發展趨勢.245 5 總結.27致謝.28參考文獻.29宜賓職業技術學院畢業論文01 前前 言言汽車工業在促進世界經濟飛速發展和給人們提供便利的同時，又展現出了其

4、雙刃劍的另一面，它將能源與環境問題推到了日益尷尬的處境。“能源、環境和安全成為 21 世紀世界汽車工業發展的 3 大主題”。其中，能源與環境問題作為全球面臨的重大挑戰和制約汽車工業可持續發展的癥結所在，更成為重中之重。料電池電動汽車可以實現零污染排放和較高的能量轉化效率，且噪音低，能源來源多樣化，成為解決環境污染和能源問題的最佳方案之一。傳統汽車工業的可持續發展面臨著解決環境污染和能源短缺的雙重壓力。環境問題主要表現在空氣污染。在南方許多城市，汽車尾氣已經成為大氣污染的首要污染源。研究表明，廣州市空氣污染的主要污染來源是：機動車尾氣占 22、工業污染源占 20.4、建筑工地揚塵污染占 19.2

5、，汽車尾氣被市民評為“最不可忍受的污染物”。位列我國第一批環保模范城的深圳市，大氣污染中機動車尾氣污染已占 70，每年排放的各種有害物質達 20 多萬噸，并且還在以每年超過 20的速度上升。在北方城市中，近年來隨著大量工廠的遷出和采暖結構的改善，工業污染、燃煤污染對城市污染的貢獻率正大幅下降，而汽車污染的“座次”則均有不同程度的上升，已成為主要的污染源。老工業基地沈陽在黑煙囪日益消失的同時，汽車污染急劇上升，尾氣所產生的污染物所占比例逐年增加。國家環保總局的一項報告說，在中國的大霧天氣中，汽油造成的污染占 79%。全世界空氣污染最嚴重的 20 個城市中，就有 16 個在中國。嚴重的環境污染不僅

6、導致高昂的經濟成本和環境成本，而且對公眾健康構成構成危害，是我國全面建設小康社會對環境的要求面臨巨大挑戰。由于大氣狀況嚴重惡化引起一系列異常的自然現象，如光化學反應、酸雨以及厄爾尼諾、城市熱島效應等，嚴重破壞和影響到人類耐以生存的地面生態系統。此外我國已經成為世界上 CO2的排放大國，由此產生的國際政治和經濟爭端將會愈演愈烈。能源問題的表現形式為現有能源供應體系對石化燃料的過度依賴。目前，全世界依賴最深的主要能源集中于第一位的石油以及占第二位。第三位的煤炭宜賓職業技術學院畢業論文1和天然氣，而汽車消耗的能源幾乎完全依賴于石油的制成品。據 IEA 發布的世界能源展望 2008預測，從 2006

7、年至 2030 年世界一次能源需求從 117.3億噸油當量增長到了 170.1 多億噸油當量，增長了 45%，平均每年增長 1.6%。全球能源需求的增長率比世界能源展望 2007預測的要低一些，主要是由于全球能源價格上漲和經濟增長放緩（特別是 OECD 國家）。到 2030 年化石燃料占世界一次能源構成的 80%，比目前略低一些。雖然從絕對值上來看，煤炭需求的增長超過任何其它燃料，但石油仍是最主要的燃料。據估計，2006 年城市的能源消耗達 79 億噸油當量，占全球能源總消耗量的三分之二，這一比例將會在 2030 年上升至四分之三。據預測，2025 年的世界石油供應將比 2001 年增加 44

8、00 萬桶/天。產量的增加不僅來自 OPEC 國家，也來自非 OPEC 產油國。然而，總增加量中可能只有 40%來自非 OPEC 國家。在過去 20 年中，非 OPEC產油國的石油產量增加導致 OPEC 的市場占有率遠遠低于其歷史最高市場份額 1973 年的 52%。新的勘探和開采技術、工業成本降低、政府對廠商的財稅優惠政策都有利于 OPEC 產油國石油生產量的繼續增加。未來 20 年中石油需求增加量中的 60%將由 OPEC 成員國產量的增加來完成，而不是依靠非 OPEC 產油國。預計在 2025 年 OPEC 石油產量比其在 2001 年的產量高出 2500 萬桶/天。一些分析家提出 OP

9、EC 可能通過保留生產能力擴張的策略來追求價格繼續攀升。能源安全與環境保護已成為制約汽車工業可持續發展的重要因素，推動汽車能源動力系統轉型、實施節能減排戰略成為國際汽車工業面臨的共同選擇。面對環境、能源的挑戰，發展燃料電池電動汽車成為必然。燃料電池電動汽車以電動機為動力，用燃料電池作為能源轉換裝置，利用氫氣作為燃料。與傳統內燃機汽車相比，FCEV 不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，具有能量轉化效率高、環境友好等內燃機汽車不可比擬的優點，同時仍然可以保持傳統內燃機汽車高速度、長距離行駛和安全、舒適等性能，被認為是 21 世紀首選的潔凈、高效運輸工具。國內外專家普遍認為燃料電池技術將成為 21

10、世紀汽車工業核心。國家 863 計劃中，明確將燃料電池汽車發展放在了我國的電動汽車發展的首位。宜賓職業技術學院畢業論文2宜賓職業技術學院畢業論文32 燃料電池汽車的結構原理燃料電池汽車的結構原理燃料電池汽車是一種節能、無污染、環保型汽車，是未來汽車發展的趨勢。其關鍵技術燃料電池所具備的的優勢，是內燃機所無法媲美的。隨著近年來燃料電池的日趨成熟，燃料電池汽車的發展備受關注，世界各國政府和各大汽車廠商都紛紛投入巨資進行研究和開發。聯合國發展計劃署（UNDP）和全球環境基金（GEF）資助巴西的圣保羅、墨西哥的墨西哥城、中國北京和上海等大城市開張了燃料電池公交客車的運行示范工作，其目的在于促進燃料電池

11、的商業化進程。美國能源部制定了“氫計劃”，投入 30 億美元用于開發氫燃料技術，并將燃料電池汽車產業化。政府還會對使用燃料電池汽車的用戶給予一定的補貼，并減少用戶納稅額。日本的發展目標是，要把汽車用燃料電池的價格降低到普通汽油機的水平，并且開始從政府部門開始普及燃料電池汽車。同時，政府為了 5 年在該計劃上的預算為 8800 萬美元，預計到 2020 年，政府共投資 40億美元。歐盟也制定了氫能發展策略，撥專款用于氫能和燃料電池的開發，歐洲數十個城市已經開始燃料電池公共汽車商業化載客示范運行。各大汽車廠商也都在從事燃料電池汽車的研發工作，并先后推出了各自的新型燃料電池汽車。我國也在積極開展對燃

12、料電池汽車額研究和開發。“十五”期間，燃料電池及其關鍵技術的研究和樣車開發，被列入國家“863”電動車重大專項中，予以重點資助。中科院大連化學物理研究所、同濟大學、上汽集團、二汽集團等都在積極地研究和開發燃料電池汽車，并已經取得一定的成果。燃料電池汽車內部結構如圖 2-1 所示。圖圖 2-1 燃料電池汽車內部結構示意圖燃料電池汽車內部結構示意圖宜賓職業技術學院畢業論文4宜賓職業技術學院畢業論文52.1 燃料電池系統的組成和工作原理燃料電池系統的組成和工作原理燃料電池是一種把燃料氧化的化學能直接轉化為電能的“發電裝置”，是化學反應的發生器。燃料電池的反應機理是將燃料電池中的化學能不經燃燒而直接轉

13、化為電能。氫氧燃料電池實際上就是一個電解水的逆過程，通過氫氧的化學反應生成水并釋放電能。氫氣和氧氣分別是燃料電池在電化學反應過程中的燃料和氧化劑。圖 2-2 所示為燃料電池電化學反應原理示意圖。其反應過程如下：圖圖 2-22-2 燃料電池原理示意圖燃料電池原理示意圖（1）氫氣通過管道或導氣板到達陽極。（2）在陽極催化劑的作用下，一個氫分子分解為兩個氫原子，并且釋放出兩個電子，陽極反應為H22H+2e-（3）在電池的另一端，氧氣（或者空氣）通過管道或導氣板到達陰極，同時，氫離子穿過電解質到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。（4）在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發生反應生成水，陰極反應為O2

14、+2H+2e-H2O總的化學反應為宜賓職業技術學院畢業論文6H2+O2H2O與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當連接可以向負載輸出電能。燃料電池的工作原理和普通電化學原電池和充電電池類似，都是通過電化學反應將化學能轉換為電能，但兩者之間還是有本質差別的。普通的原電池或充電電池是一個封閉系統。封裝后它與外界只存在能量交換而沒有物質交換。當內部的化學物質耗盡或反應條件發生變化時，系統就無法繼續輸出能量。只要保證物質供應的連續性，就可以保證能量輸出的連續性。從這個意義上來講，燃料電池本身是一個開放的發電裝置，這正是燃料電池與普通的最大的區別。質子交換膜燃料電池原理如圖 2-3 所示。圖圖

15、 2-32-3 質子交換膜燃料電池原理圖質子交換膜燃料電池原理圖燃料電池的種類較多。按燃料的類型可分為直接型、間接型和再生型三類，其中直接型和再生型燃料電池類似于一般的一次電池和二次電池，直接型燃料電池根據工作溫度可分為低溫型（100）、中溫型（100300）和高溫型（5001000）三種。按采用的電解質類型來分，燃料電池大致可分 6 種：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）。表 2-1 是各種燃料電池的主要電化學反應。宜賓職業技術學院畢業論文7表表 2-

16、12-1 燃料電池的種類及其基本電化學方程式燃料電池的種類及其基本電化學方程式中文名稱英文縮寫正極反應通過電解質的移動離子負極反應堿性燃料電池AFCH22H+2e-H+O2+2H2O+4e-4OH-直接甲醇燃料電池DMFCCH3OH+H2O6H+6e-+CO2H+3O2+6H+6e-3H2O熔融碳酸鹽燃料電池MCFCH2+H2O+CO2+2e-H+O2+2CO2+4e-2CO-23質子交換膜燃料電池PEMFCH22H+2e-H+O2+H+4e2H2O固體氧化物燃料電池SOFCH2+O2-H2O+2e-CO-23O2+4e-2O2-磷酸燃料電池PAFCH22H+2e-O2-O2+4H2O+4e-

17、2H2O2.2 燃料電池電動汽車的系統組成和工作原理燃料電池電動汽車的系統組成和工作原理燃料電池電動汽車（FCEV）簡稱為燃料電池汽車，其定義是以燃料電池系統作為動力源或主動力源的車輛。燃料電池用于車輛驅動，為能源問題和環境污染問題提供了一個有的解決方案。隨著燃料電池技術的不斷發展，如何將燃料電池應用于車輛系統，解決它與車輛眾多復雜子系統之間的匹配等問題隨之出現。FCEV 與其他電動汽車的根本區別是所用的動力源以燃料電池為主，而對于電機驅動、傳動機構以及汽車所需的各種輔助功能等基本相同。燃料電池汽車的結構有多種形式：按照驅動形式，可分為純燃料電池驅動和混合驅動；按照燃料電池系統的能源來分，又可

18、分為車載純氫和燃料重整兩種方式。由于燃料電池電動汽車正處在研究的初級階段，所以各種技術競相試用并各有優缺點。宜賓職業技術學院畢業論文82.2.1 燃料電池單獨驅動汽車動力系統燃料電池單獨驅動汽車動力系統燃料電池的種類不同和選配的輔助電池組種類不同，構成了動力路線的多樣性。燃料電池單獨驅動車型驅動系統一般由燃料箱、燃料電池、電機控制器、電機、信號線路等組成，如圖 2-4 所示。圖圖 2-42-4 燃料電池單獨驅動汽車動力傳動系統結構圖燃料電池單獨驅動汽車動力傳動系統結構圖燃料電池單獨驅動汽車動力傳動系統實為純燃料電池驅動系統。燃料電池系統將氫氣與氧氣反應產生的電能通過總線床驅動電機，驅動電機將電

19、能轉化為機械能再傳給傳動系，從而驅動汽車前進。這種系統結構的優點如下：（1）系統結構簡單，便于實現系統控制和整體布置。（2）系統部件少，有利于整車的輕量化。（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經濟性。但是，這種系統也對燃料電池提出了較高的要求：（1）為了減少整車成本，燃料電池必須有較低的價格。（2）為了提高整車的經濟性，燃料電池應在較大的輸出范圍內有較高的效率。（3）燃料電池應具有較快的動態響應。（4）燃料電池應具有較好的冷起動態能。由于燃料電池無法充電，所以這種形式的結構燃料電池電動汽車無法實現制動能量回饋，這將影響系統能量效率的提高。單一燃料電池結構形式的汽車宜賓職

20、業技術學院畢業論文9以巴拉德公司和戴姆勒-克萊斯勒公司的車型為代表。戴姆勒-克萊斯勒公司開發的燃料電池大客車長度為 912m，燃料電池系統的功率 200250KW，最高車速可達 80 Km/h，續駛里程為 200400Km。純燃料電池汽車只有燃料電池動力源，汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔。其主要缺點如下：（1）燃料電池的功率大，成本高。（2）對燃料電池系統的動態性能和可靠性提出了很高的要求。（3）不能進行制動能量回收。2.2.2 燃料電池混合動力汽車動力系統燃料電池混合動力汽車動力系統基于純燃料電池汽車上述這些不利因素，現在已較多的采用了混合驅動這種結構形式。這種結構形式既以燃料電池系統作

21、為主動來源，又增加了動力電池組或超級電容作為輔助動力源，其整體結構如圖 2-5 所示。混合驅動型燃料電池汽車的動力系統結構主要由燃料電池系統、DC/DC 轉換器、輔助動力源、驅動電機以及各相應的控制器，再加上機械傳動與車輛行駛機構等組成。圖圖 2-52-5 混合驅動混合驅動燃料電池汽車燃料電池汽車（1）DC/DC 轉換器燃料電池由于制造工藝和對其使用安全性的考慮，其輸出電壓一般比電動汽車動力電源所要求的電壓低，且特性較軟，即隨輸出電流的增加，電壓下降幅度較大。為了實現燃料電池系統輸出電壓與電機驅動電壓相匹配，中間需要通過 DC/DC 轉換器，即通過 DC/DC 轉換起到升壓和穩壓的調節作用。它

22、不僅宜賓職業技術學院畢業論文10為了滿足驅動電機的需要，也為了混合動力系統中需與輔助動力源中的動力電池等工作電壓相匹配，并且 DC/DC 轉換器能夠對燃料電池的最大輸出電流和功率進行控制，起到保護燃料電池系統的目的。（2）輔助動力源 輔助動力源有 3 種方式：動力電池、超級電容和動力電池超級電容，由此所構成的混合動力輔助系統分別被稱為“FCB”、“FCC”、“FCBC”3 種結構形式。在“燃料電池+電池”動力系統結構中，燃料電池和動力電池一起為驅動電機提供能量，驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系，從而驅動汽車前進；在汽車制動時，驅動電機變成發電機，動力電池將儲存回饋的能量。在燃料電池和動力電

23、池聯合供能時，燃料電池的能量輸出變化較為平緩，隨時間變化波動較小，而能量需求變化的高頻部分由動力電池分擔。FC+B 型燃料電池汽車混合動力系統結構優點如下：1）由于增加了比功率價格相對低廉得多的動力電池組，系統對燃料電池的功率要求較單一燃料電池結構形式有很大的降低，從而大大地降低了整車成本。2）燃料電池可以在比較好的設定的工作條件下工作，工作時燃料電池的效率較高。3）汽車的冷起動性能較好。4）系統對燃料電池的動態響應性能要求較低。5）制動能量的回饋可以回收汽車制動時的部分功能，該措施可以增加整車的能量效率。而這種結構形式也存在一些缺點：1）動力電池的使用是的整車的質量增加，動力性和經濟性受到影

24、響，對能量復合型混合動力汽車上的影響更為明顯。2）動力電池充放電過程會有能量損耗。3）系統變得復雜，系統控制和整體布置難度增加。在“燃料電池+超級電容”（FCC）動力系統結構中，動力電池被其他儲能裝置（如超級電容、飛輪儲能器等）所代替，而采用燃料電池與超級電容組宜賓職業技術學院畢業論文11合，完全摒棄了壽命短、成本高、使用要求復雜的電池。采用超級電容的突出優點是壽命長和效率高，可大大降低使用成本，有利于燃料電池汽車的商業化推廣和應用。燃料電池+動力電池+超級電容結構（FCBC 型）的動力系統結構中，燃料電池、動力電池和超級電容一起為驅動電機提供能量，驅動電機將電能轉化為機械能傳給傳動系，從而驅

25、動汽車前進；在汽車制動時，驅動電機變成發電機，動力電池和超級電容將儲存回饋的能量。FCBC 型結構的優點比燃料電池+動力電池結構形式的優點更加明顯，尤其在部件效率、動態特性、制動能量回饋等方面。而其優點也一樣更加明顯：1）增加了超級電容，整個系統的質量將可能增加。2）系統更加復雜，系統控制和整體布置的難度也隨之增大。總的來說，如果能夠對系統進行很好的匹配和優化，這種結構帶了的良好性能具有很大的吸引力。燃料電池汽車不同動力驅動系統結構特征比較見表 2-2。表表 2-2 燃料電池汽車不同動力驅動系統結構特征比較燃料電池汽車不同動力驅動系統結構特征比較動力系統結構FC 單獨驅動FC+B能量混合型FC

26、+B+C功率混合型結構特點結構最簡單，無法實現制動能量回收結構較為復雜，動力電池質量、體積較大結構復雜，動力電池質量、體積較小燃料經濟性最差較優最優燃料電池壽命與安全性當汽車功率需求較大時，燃料電池易發生過載，難以滿足動態響應要求，系統壽命較短當汽車功率需求較大時，燃料電池發生過載概率小，系統壽命長當汽車功率需求較大時，燃料電池可控制在最高效率點恒功率輸出不易發生過載，系統壽命長2.3 典型的燃料電池汽車結構典型的燃料電池汽車結構燃料電池以其特有的燃料效率高、比能量大、功率大、供電時間長、使用宜賓職業技術學院畢業論文12壽命長、可靠性高、噪聲低及不產生有害排放物 NOx等優點正引起世界各國的注

27、意。與內燃機汽車相比，氫燃料電池電動汽車有害氣體的排放量減少99%，CO2的生產量減少 75%，電池能量轉換效率約為內燃機效率的 2.5 倍。這種電池將有可能成為繼內燃機之后的汽車最佳動力源。近年來，一些廠家如戴姆勒-克萊斯勒、豐田、通用、本田、日產、福特等公司都開發了自己的燃料電池電動汽車。汽車界人士認為 FCEV 是汽車工業額一大革命，是 21 世紀真正的綠色環保車，是最具實際意義的環保車種。（1）通用 Autonomy 燃料電池概念車Autonomy 是以氫為原料的燃料電池車，有超前的流線形車身，滑板一樣的平坦底盤，加上 4 個輪子，車身加底盤，這就是 Autonomy 的構成。其外形和

28、滑板設計如圖 2-6，2-7 所示。圖 2-6 通用 Autonomy 燃料電池概念車的外形宜賓職業技術學院畢業論文13圖 2-7 通用 Autonomy 燃料電池概念車的滑板設計Autonomy 的所有車內系統都集中在底盤中，底盤上有操縱系統的標準接口，還有車身機械鎖定裝置與系統外聯裝置，這是一種通用的固定模式。但車身（車廂）部分形狀可以隨心所欲，可以選擇象展會的 Autonomy 模樣的車身，也可以選擇其它模樣的車身，將車身放在底盤上，通過機械鎖定裝置與系統外聯裝置，即刻合成了一輛汽車。這樣，將來客戶只要擁有一個底盤，就可以根據自己的愛好和需求租用各種類型的車身，隨意地變換使用。這也許就是

29、Autonomy 的魔力所在。另外一個引人注目的地方，Autonomy 采用了一種稱為線傳操控技術“X-by- Wire”，使用這種技術使得汽車的操縱系統、制動系統及其它輔助系統能夠通過電子方式而不是傳統的機械方式進行控制。也就是說，象方向機柱、踏板連桿、變速桿連桿等剛性傳動件將會消失，用導線、繼電器、電磁閥等元件組成的傳動系統代替剛性傳動件。在這樣的變化下，駕駛者既可坐在左側或右側，也可坐在中間，甚至坐在任意位置操縱汽車。由于采用線傳操控技術，Autonomy 的所有操縱系統都可以集中在底盤，底盤與車身之間只是接口連接，將車廂內駕車者的操縱信息傳送至底盤內的操縱系統。據了解，這種線傳操控技術

30、不是一種不成熟的新技術，它已經做為一種技術商品應用到一些新型汽車上了，例如新型寶馬 7 系列采用線傳操控系統，用于變速箱和油門，使其操控更為精確。而 Autonomy 上的線傳操控技術則是由瑞典 SKF 公司生產的。（2）現代 i-Blue 燃料電池電動概念車這款全新的氫動力、零排放的概念車 i-Blue 燃料電池電動車是在位于日本千葉的現代設計與技術中心研發的。全新的 i-Blue Flue cell 概念車生產平臺結合了現代第三代燃料電池技術，這種技術則是由韓國 Mabuk 的現代公司生態化技術研究機構研發的。為了體現“可持續發展與環境保護”的主題， i-Blue 概念車表明了現代公司已向

31、其燃料電池汽車商業化的目標邁出了重要的一步。與之前基于 SUV 平臺生產的車型不同，i-Blue 概念車擁有全新的 2+2 交叉型多用途運載車（CUV）的體型。如圖 2-8 所示。宜賓職業技術學院畢業論文14圖圖 2-82-8 i-bluei-blue 的概念車的概念車i-Blue 概念車是現代公司設計的第一款完全運用了燃料電池技術的車型，是我們研發計劃的一次巨大飛躍。（3）本田 FCX Clarity 燃料電池電動車本田獨自研發的燃料電池電動車 FCX Clarity（如圖 2-9 所示），具有零下30 度啟動的低溫啟動功能，續航能力達到 620km（日本 10-15 工礦）。FCX Cla

32、rity 已在日本和美國市場進行租賃銷售，是一款具有真正實用價值的終極環保車型。Honda 正在為燃料電池電動車的普及，做著不懈的努力。圖圖 2-9 本田本田 FCX Clarity 燃料電池電動車燃料電池電動車FCX Clarity 以 Honda 獨創的燃料電池堆“V Flow FC Stack”技術為核心，實現了燃料電池電動車特有的未來感設計、劃時代的整體封裝布局、以及超凡的駕馭感受。不僅具備不排放 CO2的終極清潔性，還賦予汽車獨特的新價值和新魅力。宜賓職業技術學院畢業論文15FCX Clarity 搭載 Honda 新開發的燃料電池堆“V Flow FC Stack”，采用Honda

33、 獨創的氫氣和空氣豎直流動的“V Flow 電池單元構成”，還采用使氫氣和空氣波狀流動的“波狀隔板”，和上一代相比，性能有了飛躍性提高，并實現了輕質和小型化。新型燃料電池堆的最高功率提升至 100kW，與上一代燃料電池堆相比，體積功率密度提高 50%，重量功率密度提高 67%。低溫啟動性能提升至零下 30 攝氏度以上。FCX Clarity 采用的電動馬達功率達 100kW，與上一代相比，整體動力單元的重量功率密度提高 1 倍，體積功率密度提高 1.2 倍，實現了輕質小型化和高功率的高度統一。此外，節能性提高 20%，續航里程提高 30%。宜賓職業技術學院畢業論文163 燃料電池汽車的現狀分析

34、燃料電池汽車的現狀分析3.1 國外燃料電池汽車的現狀國外燃料電池汽車的現狀長期以來，世界各國政府和主要汽車集團都高度重視燃料電池汽車研發，投入大量資金用于燃料電池汽車及氫能研發、試驗考核和市場培育。繼在第六框架計劃中拿出大量資金用于燃料電池汽車和氫能研究，2009 年，歐盟批準燃料電池和氫能技術項目行動計劃，計劃從歐盟第七框架計劃中拿出 4.7 億歐元，持續資助燃料電池汽車及基礎設施技術研發。德國政府高度重視燃料電池汽車及氫能研發，交通部、環境署、經濟部等部門聯合啟動燃料電池及氫能國家創新計劃，擬與企業聯合資助 14 億歐元，用與燃料電池汽車、氫能等關鍵技術研發，以確定德國在燃料電池汽車領域的

35、國際領先地位和競爭力。以經產省為代表的日本政府高度重視并持續開展燃料電池汽車和氫能開發，在過去 30 年時間內先后投入上千億日元用于燃料電池汽車和氫能的基礎科學研究、技術攻關和示范推廣。隸屬于經產省的燃料電池商業化組織（FCCJ）先后與 2009 年 7 月和 2010 年 7 月發布了燃料電池汽車和加氫站 2015 年商業化路線圖，明確指出 2011 年-2015 年開展燃料電池汽車技術驗證和市場示范，隨后進入商業化示范推廣前期。為落實燃料電池汽車在日本的推廣，2011 年 1 月，包括豐田、本田、尼桑三大汽車廠商在內的日本 13 家汽車和能源企業共同簽訂協議，決定在東京、大阪、名古屋和福岡

36、四大都市圈的市區和高速公路上建立 100 座加氫站，并通過完善設計、改善生產技術等方法大幅降低燃料電池汽車生產成本，培育燃料電池汽車市場。美國政府對燃料電池汽車支持在布什任職期間達到頂峰，在奧巴馬政府期間，美國能源部宣布從美國振興計劃（American Recovery and Reinvestment Act Funding）中撥款 4190 萬美元支持燃料電池特種車的研發和示范，另在 2011 年美國財政預算中安排 5000 萬美元用于燃料電池和氫能技術研發。此外，加拿大、韓國、澳大利亞、巴西、法國和英國等國家政府積極支持燃料電池汽車和氫能研發。2009 年，戴姆勒、福特、通用、豐田、本田

37、和現代汽車 6 個世界主要汽車公司簽署備忘錄，持續開展燃料電池汽車研發，計宜賓職業技術學院畢業論文17劃于 2015 大力推廣燃料電池汽車，并快速形成幾十萬輛燃料電池汽車保有量。經過長時間、持續穩步的支持，國外燃料電池汽車產品的可靠性、環境適應性（如低溫啟動性能）取得了重大突破，示范運行不斷深入，并陸續推出用于租賃商業化示范的先進燃料電池汽車，燃料電池汽車進入技術與市場示范階段。產品成本控制與配套基礎設施建設成為制約燃料電池汽車商業化推廣主要因素。3.1.1 美洲燃料電池汽車的現狀美洲燃料電池汽車的現狀（1）美國燃料電池汽車現狀20 世紀 60 年代和 70 年代，美國首先將燃料電池用于航天，

38、作為航天飛機的主要電源。此后，美國等西方各國將燃料電池的研究轉向民用發電和作為汽車、潛艇等的動力源。世界各著名汽車公司相繼投入較多的人力和物力，開展燃料電池電動汽車的開發研究。在北美，各大汽車公司加入了美國政府支持的國際燃料電池聯盟，各公司分別承擔相應的任務，生產以新的燃料電池作動力的汽車。美國通用汽車公司在美國能源部的資助下，推出了以質子交換膜燃料電（PEMFC，也稱為離子交換膜燃料電池或固體高聚合物電解質燃料電池）和蓄電池并用提供動力的轎車。美國福特汽車公司現已研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率比內燃機提高 1 倍，而產生的污染則只有內燃機的5%。（2）加拿大燃料電池汽車現狀巴

39、拉德(Ballard)汽車公司是 PEMFC 燃料電池技術領域中的世界先驅公司，自 1983 年以來，Ballard 公司一直從事開發和制造燃料電池。1992 年巴拉德公司在政府的支持下，為運輸車研制了 88kM 的 PEMFC 動力系統，以 PEMFC 為動力做試驗車進行演示。1993 年巴拉德公司推出了世界上第一輛運用燃料電池的電動公共汽車樣車，裝備 105kW 級 PEMFC 燃料電池組，能載客 20 人，對于一般城市公共汽車，采用碳吸附系統儲備氣態氫氣即可連續運行 480km。目前，Ballard 燃料電池的體積功率已達到 1kW/L 的目標。3.1.2 歐洲燃料電池汽車的現狀歐洲燃料

40、電池汽車的現狀（1）德國燃料電池汽車現狀宜賓職業技術學院畢業論文18德國奔馳公司和西門子公司合作于 1996 年推出了裝有 PEMFC 的 NECARll小客車。2009 年，德國主要的汽車和能源公司就與政府聯合啟動了“H2Mobility Initiative”計劃。按照計劃，德國將在 2015 年建成 1000 個加氫站，開始實現燃料電池動力汽車的大規模商業化，到 2020 年將有 100 萬輛電動車和50 萬輛燃料電池汽車投入使用。（2）法國燃料電池汽車現狀開發出使用“運程”燃料電池的電動汽車“Fever”，它以低溫儲存的氫和空氣作燃料，發電功率達 20kW，電壓為 90V，且采用先進的

41、電子控制系統對電力系統進行控制，并把制動時產生的能量儲存在蓄電池里，以備汽車起動或加速時使用。（3）英國燃料電池汽車現狀1992 年成立了國家燃料電池開發中心。英國燃料電池技術的開發重點在燃料供應、重整爐、氣體凈化和空氣壓縮等方面。質子交換膜燃料電池的研究重點是改善催化材料的性能并探索鉑（Pt）催化劑的涂覆方法，降低鉑（Pt）含量，提高鉑（Pt）利用率和耐受 CO 的允許值。 3.1.3 亞洲燃料電池汽車的現狀亞洲燃料電池汽車的現狀（1）日本燃料電池汽車現狀在日本燃料電池系統發展中豐田公司處于領先地位。豐田的目標是開發能量轉換效率達到傳統汽油機 2.5 倍的燃料電池，且能和現用的汽（柴）油汽車

42、一樣方便地添加燃料。日本還在 1981 年開發了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），隨后又研制了磷酸燃料電池（PAFC），1992 年又開發了比功率高、工作溫度低、結構緊湊和安全可靠的質子交換膜燃料電池（PEMFC）。（2）韓國燃料電池汽車現狀韓國現代已經推出第三代燃料電池電動車 ix35。ix35 完全由氫燃料電池驅動，這款零排放 SUV 是在 2010 年由 200 多名設計師在韓國現代的燃料電池研發中心設計完成。宜賓職業技術學院畢業論文193.2 我國我國燃料電池汽車的現狀燃料電池汽車的現狀大力發展新能源汽車是應對全球能源短缺和環境污染的重大戰略舉措。在眾多的新能源汽車中，燃料電池汽車因其具

43、有零排放、效率高、燃料來源多元化、能源可再生等優勢而被認為是未來汽車工業可持續發展重要方向，是解決全球能源問題和氣候變化理想方案，因此，世界主要國家和組織投入大量資金用于燃料電池汽車關鍵技術攻關。目前，國際燃料電池汽車現已進入技術與市場示范階段。在國際競爭日趨激烈環境中，隨著技術研發和試驗考核不斷深入，我國燃料電池汽車面臨著發展后勁不足，技術創新突破難、產業化基礎薄弱、專業人才缺乏等難題，嚴重阻礙了我國燃料電池汽車技術進步，因此，我國要抓住新能源汽車戰略性新興產業培育和發展的政策機遇，發揮政策引導作用，聚焦重大、重點突破燃料電池汽車關鍵技術和共性技術，穩步推進燃料電池汽車技術進步。在國家“十五

44、”“863”計劃電動汽車關鍵技術重大科技專項和“十一五”節能與新能源汽車重大項目支持下，我國燃料電池汽車技術研發取得重要進展，基本掌握了整車、動力系統與關鍵零部件的核心技術；建立了具有自主知識產權的燃料電池汽車動力系統技術平臺；形成了燃料電池發動機、動力電池、DC/DC 變換器、驅動電機、儲氫與供氫系統等關鍵零部件配套研發體系，具有百量級燃料電池汽車動力系統平臺與整車生產能力。研制的“超越”系列、“上海牌”、“帕薩特”、“奔騰”、“志翔”等燃料電池汽車經受住了大規模、高溫、大強度示范考核，成功服務于 2008 北京奧運會和 2010 年上海世博會。在燃料電池關鍵基礎技術研究方面，開發出高活性、

45、抗聚集的電催化劑，以及高比表面積、抗氧化的擔體，開發出了與國際商品化水平相當的增強型符合自增濕質子交換膜，研制出高導電性/高穩定性碳紙，初步解決了雙極板的抗腐蝕和導電性問題，掌握了絲網印刷膜電極技術。在燃料電池汽車整車及動力系統平臺前沿技術方面，建立了燃料電池汽車動力系統平臺設計理論和方法，探索了基于模塊化思想的整車柔性適配技術，研發了燃料電池汽車功率控制單元及其它關鍵零部件，開展了燃料電池汽車整車可靠性、電安全、氫安全、一體化熱管理、智能容錯控制、碰撞安全性等關鍵技術研究。在公共平臺建設方面，形成了燃料電池汽車開發軟、硬件測試環境，建立了國家級燃料電池，系宜賓職業技術學院畢業論文20統平臺和

46、車輛工程技術中心或測試基地，制定了 8 條燃料電池汽車及氫能專用國家標準。但是，受限于傳統車輛開發技術水平、燃料電池發動機功率密度、動力系統可靠性、整車環境適應性等性能限制以及商業推廣模式研究和基礎設施建設滯后等因素，我國燃料電池汽車仍然處于技術驗證與特定考核試驗考核階段。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，質子膜關鍵技術被列為山東省第一號科技攻關項目，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、燃料電池電站、便攜式電源等產品。在“十一五”期間，中國將繼續加

47、大對燃料電池汽車的研發投入，推動核心技術產業化。2008 年奧運會，23 輛燃料電池汽車示范運行 7.6 萬公里。到了 2010 年世博會，這個數字上升到 196 輛和 91 萬公里。2012 年 3 月兩會期間，科技部電動汽車重大項目管理辦公室副主任甄子健認為，燃料電池汽車在 5 到 10 年后，將可以像近兩年的電動汽車一樣，通過示范運行進入商業化銷售階段。3.3 國內外燃料電池汽車技術現狀的對比分析國內外燃料電池汽車技術現狀的對比分析3.3.1 燃料電池整車集成技術燃料電池整車集成技術如表 4-1 所示，我國自主開發的燃料電池汽車在車型開發、整車動力性、續駛里程、燃料電池發動機功率等方面與

48、國外存在一定的差距，在等效燃料經濟性水平和車輛噪聲水平與國外基本處于同一水平。表表 4-1 國內外燃料電池汽車技術狀態對比國內外燃料電池汽車技術狀態對比參數車輛制造商上汽集團上海牌戴姆勒B ClassF-Cell本田Clarity豐田FCHV adv通用Provoq整車整備質量（Kg)18331700162518801978百公里加速時間（S）151011/8.5最高車速（Km/h）150170160155160續駛里程（Km）300600570830483宜賓職業技術學院畢業論文21燃料電池發動機最大功率（KW）55801009088儲氫系統壓力（MPa）3570707070冷啟動系統0-2

49、5-30-30-25電機功率/轉矩（KW/Nm）90/210100/290100/26090/260150/Na在燃料電池汽車車型平臺開發方面，國外已經由基于傳統車輛平臺改造形成燃料電池汽車模式走向為燃料電池汽車打造全新整車平臺階段，如本田汽車公司 Clarity，豐田汽車公司 FCHV，戴姆勒奔馳公司 F-Cell 和通用公司Chevrolet Equinox 等均是為燃料電池汽車動力系統技術平臺而全新打造的專用化整車平臺，基于這些整車平臺，國外汽車公司開展了如空氣動力學性能、輕量化、車身碰撞安全性、底盤系統主動控制以及面向舒適性的人機界面與人機工程等研究。在國內，以上汽股份、上海大眾、一汽

50、、長安、奇瑞等公司為代表開發的燃料電池轎車均基于傳統內燃機車輛進行改制，尚未掌握燃料電池汽車專用車身開發、底盤開發、底盤動力學主動控制等關鍵技術，與國外存在較大差距。在車輛動力性能方面，主要受限于燃料電池功率輸出水平和整車集成及輕量化技術水平，我國燃料電池汽車整車加速性能明顯低于世界主流燃料電池汽車加速性能。在車輛續駛里程方面，到目前為止，我國基本掌握了 350MPa 高壓儲氫和加注系統關鍵技術，實現高壓氫氣瓶等部件國產化開發，但某些關鍵閥門、傳感器還依賴進口，700MPa 氫氣存儲關鍵技術和關鍵部件仍然處在研發階段，其直接制約了我國燃料電池汽車續駛里程提高。在整車燃油經濟性水平、車外噪聲水平

51、上。我國燃料電池汽車與國外同類型汽車處于同一水平甚至領先地位（參考 2006 年法國必比登挑戰賽結果，燃油經濟性等效為傳統內燃機汽油消耗：3-3.5L/100 公里，車外加速噪聲維持在70dB 左右）。3.3.2 燃料電池發動機技術燃料電池發動機技術在燃料電池發動集成度方面，我國轎車用燃料電池發動機輸出功率等級、功率密度等性能參數明顯低于國外同類型燃料電池汽車用燃料電池技術性能（國外燃料電池電堆質量功率密度已超過 1600W/kg，體積功率密度已超過宜賓職業技術學院畢業論文222700W/L；而國內燃料電池電堆質量功率密度維持在 700W/kg 左右，體積功率密度維持在 1000W/L 左右）

52、。在燃料電池發動機環境適應性尤其是低溫冷啟動性能方面，國外燃料電池汽車已經實現甚至環境中冷啟動，并在北歐瑞典地區開展冬季寒冷工況下實車道路實驗。相比國外，我國燃料電池汽車冷啟動性能基本上還處在水平，燃料電池電堆也僅在實驗室中實現環境中啟動。在燃料電池發動機可靠性、壽命方面，國外燃料電池電堆 2010 年壽命水平比 2003 年提高兩倍，其中燃料電池質子交換膜已經超過 7300h（采用美國 3M公司的 MEA），電堆實驗室壽命提高到 5000h 以上，安全性和可靠性水平基本達到了傳統內燃機汽車同等水平。在整車可靠性和壽命方面，其性能已經基本滿足整車產品需求。戴姆勒奔馳汽車開發的 F-Cell 系

53、列樣車已經進行了總共超過 450 萬公里的路試。美國 UTC 公司通過改進燃料電池系統控制策略，規避或減緩由起停、動態加載、低載怠速、零下儲存與啟動等過程導致的燃料電池壽命衰減，其與 AC Transit 運輸公司合作在加州奧克蘭市開展燃料電池汽車示范運行，截至 2010 年 6 月底，其 120kW 的燃料電池系統（PureMotion Model 120）在沒有更換任何部件情況下運行了 7000h，遠遠超過了美國能源部制定的2015 年 5000h 壽命目標。相比國外，我國燃料電池汽車雖然經受住了北京奧運會、美國加州示范運行和上海世博會等大型國際活動的高溫、高強度示范運行考驗，但燃料電池電

54、堆及關鍵部件壽命仍然無法滿足整車產品壽命要求，低壓燃料電池單堆動態循環工況試驗運行時間僅突破 1500h，預測壽命亦僅 2000h。在燃料電池發動機成本控制關鍵技術研究方面，國外一方面研究低鉑燃料電池技術，減少催化劑用量，另一方面研究催化劑抗毒性，降低其運行成本，同時還開發非鉑催化劑來代替貴重金屬 Pt。在低鉑燃料電池技術方面，目前國外已經研制低鉑用量燃料電池電堆。通用公司通過采用核殼型合金催化劑、有序化 MEA 等技術，不但提高了燃料電池性能，而且 Pt 擔量也得到了大幅度降低，一臺燃料電池發動機中貴金屬催化劑 Pt 的用量從上一代的 80g 降低到30g，并計劃于 2015 年降低到 10

55、g。豐田公司開發的燃料電池電堆 Pt 用量也降低到原來的 30%。催化劑抗毒性已經成為國際研究熱點，國外科研機構試圖通過提高催化劑抗毒性，使燃料電池可以直接利用粗氫發電，從而降低其運行成宜賓職業技術學院畢業論文23本。在非鉑燃料電池技術方面，國際積極開發其它類型如堿性聚合物膜燃料電池，實現催化劑材料非 Pt 化，從而降低燃料電池發動機成本。2010 年 4 月，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室宣布，該研究機構已經開發出由碳、鐵、鈷組成的催化劑，其成本非常低，而其性能可以和鉑基燃料電池電堆最高水平相比，且在遏制過氧化氫產生等方面明顯優于鉑基燃料電池電堆。一系列研究成果直接推動燃料電池汽車成本降低，據美

56、國 DOE 估計，燃料電池系統成本已由 2002年的 275 美元/kW 降低至 2009 年的 62 美元/kW（按 50 萬套產量測算）。近期豐田公司高層公開宣布，2015 年將實現燃料電池汽車零售價 5 萬美元/輛的目標。此外，隨著新研制非鉑催化劑大量使用，燃料電池汽車成本還將進一步降低。我國于“十一五”末期已經開始開展燃料電池汽車成本控制研究，受限于燃料電池發動機和氫氣存儲系統成本，燃料電池轎車成本仍然很高。3.3.3 高壓儲氫系統技術高壓儲氫系統技術目前國外主流燃料電池汽車車型均采用 70MPa 的氫氣存儲和供給系統，而國內燃料電池汽車的高壓氫氣存儲系統壓力仍然維持在 35MPa 水

57、平，這一定程度上影響了我國燃料電池汽車整車續駛里程能力。與此同時，國內 35MPa 的氫氣存儲和供給系統中的傳感器、閥門等零件還依賴進口，直接導致氫氣存儲與供給系統成本過高。3.4 燃料電池汽車與純電動汽車技術對比分析燃料電池汽車與純電動汽車技術對比分析與純電動汽車相比，燃料電池汽車具有續駛里程長、低溫冷啟動性能好和能量補充快等優點（見表 4-2），但產品成本高和基礎設施稀缺;燃料電池汽車性能基本滿足用戶需求，必將成為未來高端純電驅動車輛主體車型。隨著新型非鉑催化劑的研制成功和應用，燃料電池汽車成本將進一步降低，燃料電池汽車市場化進程將大幅提速。表表 4-24-2 純電動、燃料電池及傳統內燃機

58、對比分析表純電動、燃料電池及傳統內燃機對比分析表車輛類型技術參數整車動力性能冷啟動溫度續駛里程（Km）能量補給速度（min）整車成本（萬元）基礎設施建設燃料電池乘用車好-30800580-150稀缺宜賓職業技術學院畢業論文24純電動乘用車好-5100快充：30慢充：300換電：1030-50缺傳統內燃機汽車好-30600510完善宜賓職業技術學院畢業論文254 燃料電池汽車發展趨勢的分析燃料電池汽車發展趨勢的分析汽車業界普遍認同的一個觀點是，燃料電池技術是內燃機技術最好的替代物，代表了汽車未來的發展方向。但如果將發展燃料電池汽車的幾個制約因素考慮進來，則會發現燃料電池汽車目前和今后一段時問尚不

59、具備商業化的條件。最樂觀的預測，以純氫為燃料的燃料電池汽車的商業化生產至少還需 15 年以上的時問，即使在一定程度上實現了商業化，也會是以一種高成本的方式。4.1 燃料電池汽車的發展優勢燃料電池汽車的發展優勢作為未來汽車的發展方向，燃料電池電動汽車具有以下優勢：（1）工作效率高內燃機汽車的效率為 11%左右，而已氫氣為燃料的燃料電池電動汽車效率可達 50%-70%左右，甲醇重整產生氫氣的燃料電池汽車效率可達到 30%左右。可見燃料電池汽車的效率高于內燃機汽車。（2）節能、環保燃料電池汽車使用的能源主要是氫氣，排放的主要物質是水，對于環境問題日益突出的地球來說，燃料電池汽車是內燃機汽車的理想替代

60、。（3）結構簡單和運行平穩由于燃料電池汽車能量轉換不涉及燃燒和熱機做功，因此所需零件少，結構簡單，振動和噪聲小。4.2 燃料電池汽車發展所面臨的問題燃料電池汽車發展所面臨的問題燃料電池汽車雖然較傳統的汽油汽車，混合動力汽車以及純電動汽車有技術上的優勢，但是卻一時難以普及，原因是多方面的。 （1）燃料電池的成本過高。燃料電池的成本過高是制約燃料電池汽車發展的最大阻礙，早期由于燃料電池采用貴重的鉑金屬催化劑，使得成本居高不下，雖然近幾年通過世界各地宜賓職業技術學院畢業論文26科研人員的不懈努力，已經開發出了新型的無鉑催化劑，使得電池成本有了明顯的降低，但是仍然沒有降到可以進行大規模普及的程度。以奔