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燃料电池技术在汽车上的应用 燃料电池是一种将储存在燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率可高达80，产物仅为电、热和水蒸气；而且燃料电池运行平稳，无振动和噪音，所以被认为是21世纪的绿色能源。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能,因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。燃料电池技术在汽车上的应用给汽车产业发展带来了革命性的突破，同时也推动了自身的发展。燃料电池可以用作汽车的（辅助）动力电源，也可以用作辅助电源。事实上，人们考虑更多的是燃料电动汽车（FCEV），它不同于传统汽车，其动力来自燃料电池，而不是内燃机，可以减少燃料消耗，产生更少的污染物排放，当以氢作燃料时，能真正实现汽车的“零排放”，因此更符合人们的经济环保观念。此外，在能量耗尽后，燃料电动汽车不像传统的蓄电池电动汽车（BEV）那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。目前开发的燃料电池动力车主要用两种类型：纯燃料电池动力车和燃料电池一蓄电池混合动力车。纯燃料电池动力车采用大功率的燃料电池堆栈，以确保在没有后备蓄电池的情况下能提供启动、瞬时加速的动力；而燃料电池-蓄电池混合动力车以蓄电池为主动力，小功率的燃料电池用作续程器。1.汽车用燃料电池研究最多、最成功的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为第五代燃料电池，由于具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄漏等特点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。但是由于PEMFC需采用贵金属Pt作为电极催化剂，不仅提高了成本；而且限制了燃料只能采用纯氢，因为燃料中的微量CO也可导致Pt中毒。对于甲醇、汽油等燃料，必须经过重整纯化，从而增加了系统的复杂性。近年来，PEMFC技术取得了重大突破，燃料已经实现内重整，使得系统体积大为减少，有望进一步“减负”；更重要的是催化剂中pt载量大为降低，成本问题有望得到解决，相信PEMFC汽车在不久的将来能够实现商业化。2.在PEMFC的基础上，以甲醇代替纯氢直接作为燃料，可以大为简化系统，这种PEMFC称为直接甲醇燃料电池（DMFC）。DMFC具有体积小、重量轻、燃料来源丰富、价格便宜、储存携带方便等优点，是理想的汽车动力源。对于DMFC而言，甲醇的阳极氧化迟缓及甲醇通过Nafion膜（全氟磺酸膜）的渗透所引起的阳极性能衰减是限制DMFC发展的主要问题。目前许多研究人员正在开发新的替代Nafion膜的聚合物膜，也取得了很大的进展。提高甲醇氧化的催化剂活性，减少贵金属用量也是DMFC技术实用化的关键。直接甲醇燃料电池简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。 其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。专家们认为这项技术距离实用化至少还需7年时间。尽管如此，许多人仍把它作为燃料电池汽车的首选技术进行开发和研究。日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点.3.固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全陶瓷结构燃料电池，和一般燃料电池一样，固体氧化物燃料电池也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成, 但工作温度相对较高，一般在8001000。在阳极一侧持续通入燃料气，例如H2、CH4、煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体例如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2- ，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外路回到阴极。其能量转化效率最高，操作方便，无腐蚀，与PEMFC相比，燃料适用面广，不须用贵金属催化剂，而且不存在DMFC的液体燃料渗透问题。但是固体氧化物燃料电池受电解质所限，须高温（1000左右）工作，导致启动慢，这是SOFC在汽车上应用的致命弱点。随着固体氧化物燃料电池技术的发展，其操作温度降至700800，与燃料的重整条件接近，可以实现燃料的直接内重整，不仅降低了堆栈成本，而且简化了热管理，使系统变得更紧凑，已经被用作汽车的APU。最近低温SOFC的研究取得了突破性进展，采用新型低温固体电解质和高活性的电极材料，使工作温度降至500以下，若将其再与蓄电池或超级电容器联用，就可以用作汽车的动力源。无论是从技术还是从成本来看，低温SOFC汽车都有希望与PEMFC汽车在未来的FCV市场上一较高下。 除了上述三种燃料电池在汽车上有很好的应用前景，碱性燃料电池（AFC）和磷酸燃料电池（PAFC）这两类最早开发的燃料电池也被应用于汽车，目前均有相应的样车推出。但是在汽车上的应用并不成熟，还有大量的技术问题有待解决，所以不为人们所关注。燃料电池汽车实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的发展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在研究攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的命。 电动汽车最早出现在1873年，英国人罗伯持戴维森制造了第一辆有实用价值的电动汽车，电的来源是蓄电池，这辆电动车比卡尔本茨的汽车还早10多年。然而，由于当时的技术水平和社会环境所限，电动汽车没有发展起来，但燃烧汽油的内燃机汽车发展得很快，在全世界的保有量迅速增加，尤其是在发达国家的大城市，汽车增加得更快。这样，汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污染源。1955年9月中的几天里，美国洛杉矶的光化学烟雾非常浓烈，两天之内就有400多名65岁以上的老年人死亡，比平时高出几倍。此外，还有几千人受到不同程度的伤害，地里的蔬菜变质，四分之一的森林干枯而死，那一幕幕惨状至今令人难忘。 汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁，再综合能源问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。 我认为电动汽车前景肯定会好，不过最关键的不是市场，而是制造技术，电池问题解决不了，很难发展。 看看日本的氢燃料电池汽车也许是发展方向。电动汽车能否普及的关键在于电池（或电容器），普通二次电池充电时间长，寿命短，充放电效率低，充电一次续行里程短等都是致命缺点，而超级电容器的充电时间、寿命、充放电效率等都非常好，只可惜储能密度太低（充电一次续行里程太短，远不如二次电池）。如果超级电容器的储能密度能再上一个台阶（比如说能达到或超过二次电池的水平），则电动汽车将有无限光明的前景。本人的问题是既然高温超导已经达到商用水平，为什么不用超导材料做成超级电感器（用超导材料做成的超级电感器应该具有非常高的储能密度）存储电能用于电动汽车呢？专家预测，新兴的高能电池技术将催生新的电动汽车时代，美国通用、日本丰田、法国雪铁龙等世界著名公司都把开发电动汽车作为未来发展的方向。 发动机的物理特性决定了变速箱的存在。首先，任何发动机都有其峰值转速；其次，发动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。比如，发动机最大功率出现在5500转。变速箱可以在汽车行驶过程中在发动机和车轮之间产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。理想情况下，变速箱应具有灵活的变速比。无级变速箱（CVT）就具有这种特性，可以较好的发挥发动机的动力性能。我想应该是用电动机带动变速箱的主动轴,再带动轮子,实现电机的高低速运行,和汽车原理上差不多,只是把内燃机换成了电动机.电动车不在发动机内燃烧汽油。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。正如远距离控制的模拟电动汽车一样，电动车配有用来旋转车轮的电发动机以及使发动机运转的电池。 Impact，通用公司的现代电动车之一，外形看起来很圆滑，竟然创造了每小时行车180公里的世界纪录！ 电动车的电池充电过程通常在夜间进行。例如，Impact汽车，一辆用于测试的汽车，在房间的一个特殊的充电器上进行充电。Impact目前还没有开始进行销售。有些电动车可以直接的插到一般墙上的插口上进行充电。其他的则需要一个更大的插座，比如使用炉子或者电熨斗的插座。 电动汽车与内燃机汽车相比，有其自身的许多特点，电动汽车的价格比内燃机汽车高，决定了电动汽车的初期投入大、费用支出多，但是电动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的延长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于内燃机汽车使用成本。 1996年，北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上，参展的电动汽车有福特的Ranger电动轻卡车，通用的EV1型车，丰田的RAV4L型车，PSA集团的SAXO型车，菲亚特的ZIC等车型，充分展示了电动汽车的发展水平。此外，还有很多混合动力汽车展出。1999年，在日本东京国际车展上，展出的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW的燃料电池汽车；奔驰公司A级燃料电池汽车，车内空间与内燃机车型相同。功率为50kW，最高速度为150km/h；三菱公司功率为40kW的燃料电池汽车；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料电池汽车的成果。 2000年10月，通用公司在北京展出了号称“氢动一号”的燃料电池汽车，应用液态氢驱动燃料电池组，总体积与一台普通汽油机相当，功率为80120kW，整车质量为1575kg，0100km/h加速时间仅为12s秒这些指标与相应的汽油机汽车基本相当。 丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV4，输出功率为90kW，最高时速150km，续驶里程250km。 现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇和乙醇等等，这些代用燃料汽车都已投入实际使用，尤其是压缩天然气和液化石油气汽车使用得更广泛一些。另外，还有正在研究阶段的太阳能汽车，以及在设想中的核能汽车等新能源汽车。但是从资源的角度和现在发展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的发展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会逐渐解决。各大公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线。据说，戴姆勒克莱斯勒、通用、福持、丰田、本田的电动车路试工作已结束，2002年将投入商业化生产。估计到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1左右。 科技部秘书长石定寰介绍说，2001年我国启动实施“863计划”电动汽车重大专项以来，燃料电池汽车及相关技术研发在“九五”攻关基础上有了显著提高，并带动起一批研发、生产基地的建设。一年多来，中国燃料电池轿车及城市客车整车集成技术发展迅速，新一轮性能样车开发基本完成；在燃料电池发动机方面，由单纯的电堆研究转向系统集成和产业化技术研究，将供给方式由“氢氧”发展到“氢空”方式，成功研制出输出功率30kw50kw燃料电池发动机产品样品机。另外，我国在燃料电池质子膜、氢的储存制备和氢能基础设施建设研究等方面也都有一定突破，整车开发产业化方案初见端倪。上海不仅制定了切实可行的燃料电池轿车总体方案，还制定了阶段性目标明确的节点开发计划。根据预测，燃料电池汽车商品化进入市场将在2010年. 自2002年起，神力公司为清华大学的燃料电池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)发动机。 净输出功率 100KW 最大稳定输出功率 120KW 峰值输出功率 150KW 电压 300-480V(可以根据用户要求调整) 电流 0-400A 能量转化效率 45%-52% 燃料 存储方式 高压铝内胆、碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐 燃料类型 气态氢 操作环境环境温度 0-50 相对湿度 0-95% 工作温度 60-80 工作压力 常压 物理特性长宽高 1040mm680mm690mm*2 重量 560kg(不包括驱动电机) 噪声 76dB 从中我们可以看出其性能是十分优良的. 我认为电动汽车前景肯定会好,它的优势十分明显: 1.无污染，噪声低 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有零污染的美称。众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾.电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。 2.能源效率高，多样化 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。 另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。 3.结构简单，使用维修方便 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。 初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不方便、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想发展电动汽车必须在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年代，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的016kW/kg，提高到2000年的047kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车发展的希望。 我觉得目前燃料电池汽车的产业化至少有三大困难要克服： 一 是成本问题。由于要用到贵金属Pt，因此