1、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(diǎn)。為了獲得競爭優(yōu)勢，各國紛紛出臺政策，加速推進(jìn)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(fèi)，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(yù)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(dá)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(jìn)，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(dǎo)，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(biāo)（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(jìn)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(biāo)

   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(biāo)中，1h≈48km。

   2、 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(dá)到2 kW/L這一水平才能認(rèn)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(diǎn)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(biāo)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(dá)到830 km。這標(biāo)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(yīng)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(jìn)行全力破解。可喜的是，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(biāo)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(dǎo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)格限制標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)標(biāo)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(biāo)。為實現(xiàn)續(xù)駛里程830 km的目標(biāo)，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?zé)o需加濕條件也可運(yùn)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(dāng)。

   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(jì)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(jī)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(jìn)入城市公共交通體系。