自從1993年質子交換膜燃料電池系統(tǒng)的應用第一次由美國新一代車輛計劃（PNGV the New Generation of Vehicles program）提出以來，用了10年以上時間達到了現(xiàn)在的測試階段和部分商業(yè)化階段。2005年在摩納哥，由通用、現(xiàn)代、戴姆勒·克萊斯勒等推出的5款燃料電池汽車進行了穿過瑞士的拉力賽，行程大約為410km，行程時間約為6h。拉力賽最終取得了完美的成功，展示了目前質子交換膜燃料電池在燃料電池汽車領域的應用現(xiàn)狀。 燃料電池是一種將氫燃料和氧化劑之間的化學能通過電極反應直接轉化成電能的裝置。由于其具有效率高、污染小、建廠時間短、可靠性高及維護性好等優(yōu)點，被譽為是一種繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電技術。其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）以磺酸型質子交換膜為固體電解質，它除具有一般燃料電池的優(yōu)點外,還有以下自身特點： 一、效率高，因不受“卡諾循環(huán)”的限制,其能量轉化效率高達60%～80%，實際使用效率則是普通內燃機的2～3倍。 二、無污染。 三、噪音低，因無大型旋轉部件，因此噪音極小。 四、壽命長。 五、燃料具有多樣性。甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、含氫廢氣、純氫、輕油和柴油均可。 六、室溫下工作，工作溫度60～80℃。 七、啟動十分迅速。 八、比功率大。 九、輸出功率可隨時調整。 十、可用空氣作氧化劑，而不需純氧。 所以PEMFC在固定電站、交通運輸、軍用特種電源及可移動電源等方面都有廣闊的應用前景，尤其是交通運輸?shù)淖罴羊寗与娫础? 盡管PEMFC具有很好的前景，但欲使其取代各種傳統(tǒng)能源系統(tǒng)還存在很多問題，此外，許多燃料電池公司為了自身利益對他們積累的經驗和技術都已經實行專利保護，由于世界正面臨能源危機和環(huán)境污染等問題，分享這些技術的信息和數(shù)據(jù)對于PEMFC盡快全面商業(yè)化是非常必要的。 ●國外PEMFC汽車的應用現(xiàn)狀 在PEMFC的諸多應用中，運輸工具是最有競爭力、前景最被看好的應用領域，另外，對于開發(fā)環(huán)保型汽車，我們可以看到燃料電池汽車（FECEV）是最有潛力的。根據(jù)各個國家的社會和工業(yè)環(huán)境以及能源供給和需求的不同，每個國家質子交換膜燃料電池在電動車的發(fā)展方向是不同的，美國和日本的研究主要集中在燃料電池轎車方向、歐洲主要研究燃料電池公共汽車和火車，在中國燃料電池腳踏車和輕型燃料電池轎車有很大前景。表1列出了近年來國際上開展燃料電池汽車示范研究的基本情況。 目前以及將來的FECEV用的PEMFC的技術參數(shù)是由巴拉德于2005年5月公布的技術標準來說明的，它提出了汽車用質子交換膜電池堆技術商業(yè)化最主要的4個方面的趨勢和目標，這包括：耐久性、成本、冷起動和單位體積功率密度，其主要目標如下： 一、2010年壽命為5000h，巴拉德已經在模擬測試中成功實現(xiàn)了耐久性超過了2200h。 二、堆成本為$30/kW。 三、最低冷起動溫度為-30℃，在30s達到額定功率的50％。 四、單位體積的功率密度為2500W/L。 將燃料電池裝在汽車上時，可考慮單獨使用燃料電池的方式和燃料電池與蓄電池等輔助充、放電裝置組合的混合方式。單獨使用燃料電池方式，由于電源為單個系統(tǒng)，很簡單，但是，不可能回收及重新利用再生能量。此外，尤其是從結冰溫度開始的啟動性能以及采用改性方式時的負載響應性能都存在問題?；旌戏绞絼t可以利用再生能量，因此其特點是能夠建造高效率系統(tǒng)。另外，汽車在啟動及緊急時可由輔助充、放電裝置供電，所以從安全性和可靠性方面來看，這是一種優(yōu)異的方式，不過其系統(tǒng)自然會復雜些。 ·燃料電池公共汽車 在2003年，F(xiàn)olkesson et al.通過歐洲清潔城市運輸計劃（CUTE：the Clean Urban Transport for Europe project）完成了混合燃料電池城市公共汽車的評估，這個計劃的目標是設計并建立混合燃料電池公共汽車示范車，它由歐洲無核能源（Joule）規(guī)劃和一些企業(yè)及院校聯(lián)合提供資金支持。燃料電池系統(tǒng)設計的最大輸出功率為50kW，燃料為壓縮氫氣和環(huán)境壓縮空氣為氧化劑，DC/DC變換器將燃料電池輸出電壓調整為公共汽車的電壓（600V），公共汽車長9.2m、寬2.5m、高3.2m，有15座位并有可站37個乘客的空間，動力系統(tǒng)放在汽車的后部。 各個系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)、蓄電池、車輪電動機和一些輔助設備可以很容易地從車上取出，這樣簡化了系統(tǒng)的維修和其他工作，燃料電池系統(tǒng)的核心是含2個PEMFC堆棧的堆塊，每個堆棧有105片單電池，堆棧的裝配結構是金屬化的，它的尺寸為高58cm、寬42cm、長57cm，總體積為139L，系統(tǒng)的功率密度為0.2kW/L。 燃料電池（FC）在西班牙北部道路進行性能測試，所有的測試在帶負載總重為12500+25kg的公共汽車上完成的。其結果是在測試循環(huán)中平均功率消耗為17～24kW，這個特性意味著額定輸出功率約為35～50kW的燃料電池系統(tǒng)可足夠用于全長為12m的混合燃料電池公共汽車，即使安裝了20～25kW的空調系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)的凈效率約為40%，且其燃料消耗量比標準Scania內燃機公共汽車要低42%～48%。 另外，汽車的其他系統(tǒng)如用于開門、懸架、制動、液力轉向器，水泵、冷卻風扇大約消耗輸入燃料能量的7%或燃料電池系統(tǒng)凈輸出能量的17%。 ·燃料電池電動腳踏車和輕型車輛 利用質子交換膜燃料電池驅動的腳踏車可極大地減輕城市污染。如果質子交換膜燃料電池電動摩托車能替代20%的兩缸摩托車，就可使CO、HC和NOx的排放量分別減少6%、11%和12%。與電動汽車相比，電動摩托車更商業(yè)化。1999年，加拿大巴拉德公司與日本雅馬哈摩托車公司簽署了25萬美元的合同，為其提供摩托車用質子交換膜燃料電池。 2004年，Hwang et al發(fā)布了PEMFC電動腳踏車示范車的測試結果，研究腳踏車的動機是在中國每日上下班普遍是騎助力腳踏車。燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆棧、金屬氫化物容器、空氣泵、電磁閥門、冷卻風扇、壓力和溫度傳感器和微處理器組成。電堆由40片單電池組成，其額定功率和峰值（最大）功率分別為303W（0.7V）和378W（0.66V）。電堆不僅驅動腳踏車的電動馬達還為其他子系統(tǒng)提供能量。助力腳踏車可采用滾動式臺架測試和道路測試，在滾動式臺架測試中，最高車速約為25.2km/h，電堆的溫度在30.0～31.9℃之間，燃料電池系統(tǒng)的效率可達到35%，這明顯高于內燃機式腳踏車，6.8g氫氣的行駛距離為9.18km，這意味著電動車的距離燃料比為1.35km/g。在此結果的基礎上，他們開始研發(fā)兩座位的輕型燃料電池車，盡管完成了成功的示范車，但還沒能解決經濟和一些技術問題。 2005年，這個工作組也發(fā)布了5kW PEMFC輕型車輛的成果，這個示范車是在前期技術工作的基礎上完成的，其系統(tǒng)結構與特點也類似于前一示范車。車速保持在約18km/h且在1h測試中無任何故障，這有非常好的穩(wěn)定性和可靠性，然而還需要對加速性、加速度、燃料效率和與蓄電池的混合等一些性能做進一步研究。 ●國內燃料電池電動汽車開發(fā)情況 ·發(fā)展概況 國內燃料電池的研發(fā)起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而發(fā)展很慢，直到20世紀90年代才開始加快發(fā)展。目前燃料電池動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢很好，已具有從過去單電堆研究發(fā)展到帶有支持系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的研發(fā)能力。國內燃料電池汽車領域已經取得了較大的進展，其中首臺50kW燃料電池城市客車發(fā)動機已經研制成功，首臺四輪驅動燃料電池轎車也在2002年12月初舉行的上海工業(yè)博覽會上亮相，但距真正的實際運用還有距離。在國家“十五”863電動汽車重大專項中，清華大學和北京客車總廠合作承擔研究燃料電池客車計劃，上海汽車工業(yè)集團公司、同濟大學、信息部電機研究所、上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)公司承擔了燃料電池轎車的研發(fā)任務。 ·國內主要研發(fā)單位研發(fā)成果 一、上海燃料電池動力系統(tǒng)公司與同濟大學等單位合作開發(fā)出“超越一號”燃料電池混合動力轎車，2003年通過了國家科技部的測試；2006年底，第二代將開發(fā)完成，其各項性能指標將直逼世界先進水平。該車采用燃料電池與蓄電池的“電電混合”電源，壓縮氫氣為燃料，最高時速每小時110km，可連續(xù)行駛210km?！俺揭惶枴辈捎昧藫碛型耆灾髦R產權的燃料電池動力平臺，車身為桑塔納2000型，方向盤、儀表盤等設備，從樣式到操作，都與傳統(tǒng)汽車相似，空調、轉向助力、制動助力三大輔助系統(tǒng)全部采用電力驅動。該電助力系統(tǒng)如裝到傳統(tǒng)汽車上，每行駛1000m可節(jié)省汽油0.5～0.7L。在燃料電池汽車領域，“超越一號”大大縮短了我國與世界先進水平的差距。 二、上海通用汽車公司與上海泛亞汽車技術中心共同開發(fā)出串聯(lián)型燃料電池與蓄電池驅動的鳳凰燃料電池輕型客車。車身以上海通用汽車生產的別克GL8公務用車為原型，由通用汽車提供燃料電池組、零部件和技術支持，泛亞汽車技術中心負責整車系統(tǒng)集成。該車以壓縮氫氣為燃料，采用35kW質子膜型燃料電池發(fā)動機，配置冷暖式熱泵、電動動力轉向助力裝置及電動制動真空泵，共裝備有15個控制器、88個傳感器，有效地協(xié)調了整車運行、乘坐、安全、娛樂等功能。主要技術參數(shù)：乘客8人，動力性能接近內燃機汽車水平，0～100km加速時間14s，最高車速l13km/h，最大驅動功率104kW。 三、東風電動車輛股份公司與中國科學院、中國科學院大連化學物理研究所及中科院電工所合作，于2001年初研制出EQ6700FCV型燃料電池電動中型客車。EQ6700EV3燃料電池中型客車是國內開發(fā)的第一輛30kW質子交換膜燃料電池電動汽車。主要技術參數(shù)：載客數(shù)19個；外型尺寸為7025×2225×2750mm；整備質量5385kg；最大總質量5928kg；最高車速（滿載）60km/h；最大爬坡度（滿載）16%；額定功率30kW；續(xù)駛里程300km。 四、北京飛馳綠能電源技術有限公司（北京綠源公司）與清華大學合作推出以壓縮氫氣為燃料的“京零一號”燃料電池輕型客車，2001年4月參加了第三屆北京國際電動汽車、清潔汽車展覽會。該樣車技術參數(shù)為：質子交換膜燃料電池；額定功率18kW（氫/氧型）；驅動電機額定功率35kW，最大功率90kW；無級調速傳動系統(tǒng)；最高車速80km/h；最大爬坡度15%；加速時間0～40km/h，不大于15s；一次加氫氣行駛里程大于165km。 五、武漢理工大學從2001年開始，先后開發(fā)了1kW燃料電池摩托車、5kW燃料電池高爾夫球車，2003年底開發(fā)成功燃料電池電動轎車“楚天一號”。2004年底“楚天一號”轎車接受了專家組的驗收，其最高時速103.6 km/h，燃料電池動力系統(tǒng)設計功率25kW，0～80km/h加速時間為22s，最大爬坡度20％。 ●PEMFC汽車商業(yè)化存在的挑戰(zhàn) 近年來由于PEMFC在全球飛速的發(fā)展并取得了巨大的研究成果，PEMFC已經通過了示范階段并部分達到了商業(yè)化階段。但是，在它全面商業(yè)化之前的一年內還需要克服許多存在的問題，燃料電池汽車的普及主要存在3個方面的挑戰(zhàn)：即高純氫氣的穩(wěn)定的供應、系統(tǒng)成本的降低和一些技術問題。 ·高純氫氣的供應和存儲 PEMFC要全面商業(yè)化，就需要有穩(wěn)定的高純氫氣的供應，然而，目前可用的高純氫氣很少并且在氫氣使用方面很長時期內備受爭議，它存在一些技術問題難題。 傳統(tǒng)的氫氣制取技術是碳氫化合物如天然氣蒸汽重整，或者煤氣化技術，然而，這些方法不可避免的存在CO2的排放，這會導致溫室效應，另外，產物CO會導致PEMFC中的催化劑嚴重中毒。開發(fā)更加安全并且更高效的儲氫系統(tǒng)如氣罐、金屬氫化物和化學氫化物是很重要的。 為了解決技術難題，對高純氫氣的生產技術做了很多的研究，這包括用風能和太陽能發(fā)電來電解水。Jacobson評估了氫氣無論采用天然氣重整、風能電解還是煤氣化等中的哪一種方法制取，若美國所有的道路車輛換為PEFC，就能顯著改善空氣質量。根據(jù)文獻資料，由風能電解水得到的PEFC的氫氣在人類健康方面最有優(yōu)勢，每年能夠挽救美國3700～6400個生命，然而，這個結果只適用于美國FCV領域，除了對人類健康有益外，這個技術并不實際。 除了利用風能，PEMFC近期開始研究利用太陽能發(fā)電制取氫氣，系統(tǒng)結構如圖2所示。根據(jù)這些文獻，需要對電解劑設計和能量流等方面做進一步研究來開發(fā)更有效的系統(tǒng)，在這些技術中，有效的電解系統(tǒng)是關鍵因素，因此近期在全球范圍內都在積極開發(fā)更有效和更經濟的PEMFC的電解系統(tǒng)。 總之，考慮到使用PEMFC帶來的社會益處和人類健康，急切需要開發(fā)有效的制氫技術如用風能或太陽能發(fā)電來電解水制氫。 ●車載氫源目前主要有3種形式 ◆高壓氣罐儲氫 采用先進的玻璃纖維增強鋁合金作罐體材料，其儲氫壓力可達30MPa。 ◆液態(tài)儲氫 需用絕熱性非常好的真空罐,以防止液氫的揮發(fā)與泄漏。 ◆金屬氫化物儲氫 此外，最近研究人員在碳納米材料和玻璃微球儲氫技術上取得了一些突破。 ·PEMFC系統(tǒng)成本 目前，PEMFC的成本約為500～600$/kW，一輛質子交換膜燃料電池汽車的總成本是使用內燃機（ICE）汽車的10倍。一般質子交換膜燃料電池的成本由膜、鉑催化劑、電極、雙極板、外圍設備和裝配加工等費用組成，其中雙極板和含鉑的電極約占PEMFC總成本的80%，為了降低這些成本，很自然的需要開發(fā)更有效和更經濟的所有PEMFC的組件。 典型的單電池電壓為0.6～0.7V，電流密度為0.3～0.6A/cm2，也就是功率密度在2kW/m2以上，然而，電堆棧的性能要比單個電池的性能差。根據(jù)分析，采用大規(guī)模生產PEMFC的成本就會降低到內燃機水平，同時雙極板和MEA的成本占堆棧的主要部分，因此要進一步加深降低這兩個部件成本的研究，另外，還要重點開發(fā)成本低且與全氟磺酸膜質子傳導率相同的新的質子交換膜。 ·存在的技術問題 除了上述提到的氫氣供應和質子交換膜的成本兩大方面外，在PEMFC系統(tǒng)中還存在一些技術問題，這包括水熱管理、從單電池到堆棧參數(shù)的測量、流場設計、燃料處理、陽極鉑的CO中毒、MEA結構和陰極的極化等。然而，根據(jù)PEMFC目前的技術狀況，這些技術問題將會在最近幾年可得到解決。 ●結束語 燃料電池技術由于其高效、環(huán)保等特點，在電動車輛上具有很大的應用前景。目前，國際上燃料電池車輛已經從示范階段發(fā)展到部分商業(yè)化階段，在某些技術取得了很大的突破。然而，燃料電池汽車全面商業(yè)化還存在許多方面的挑戰(zhàn)，如氫氣的供應、系統(tǒng)成本的降低和一些技術問題。