《燃料电池汽车现状与发展趋势》毕业论文.

1、宜宾职业技术学院 毕业论文 题目：燃料电池汽车现状与发展趋势 系 部 现代制造工程系 专业名 称 新能源汽车技术专业 班 级 新能源汽车 11201 班 姓 名 * * 学 号 201210388 指导教 师 王 诗 平 2014 年 09 月 25 日I 浅析燃料电池汽车现状与发展趋势 摘要 随着汽车的发展，传统汽车工业的可持续发展面临着环境污染和能源短缺的 双重压力。 改变汽车动力系统已成为必然之势， 而燃料电池汽车的发展则成为重 中之重。本文从燃料电池汽车的研究背景入题， 综合介绍了燃料电池系统和燃料 电池汽车系统的组成与工作原理、 国内外的技术现状、 全面发展的优势和发展中 所面临的问

2、题以及对发展趋势的分析。 关键词： 燃料电池；燃料电池汽车；汽车结构；节能环保2 目录 1 前言 .错. 误！未定义书签。 2 燃料电池汽车的结构原理 . 3. 2.1 燃料电池系统的组成和工作原理 . 4. 2.2 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 . 6. 2.2.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统 . 7. 2.2.2 燃料电池混合动力汽车动力系统 . 8. 2.3 典型的燃料电池汽车结构 . 1.0 3 燃料电池汽车的现状分析 . 1.5 3.1 国外燃料电池汽车的现状 . 1.5 3.1.1 美洲燃料电池汽车的现状 . 1.6 3.1.2 欧洲燃料电池汽车的现状 . 1.6 3.1.3

3、 亚洲燃料电池汽车的现状 . 1.7 3.2 我国燃料电池汽车的现状 . 1.7 7 国内外技术现状的对比分析 . 1.9 燃料电池汽车整车集成技术 . 1.9 燃料电池汽车发动机技术 . 2.0 高压储氢系统技术 . 2.2 3.4 燃料电池汽车与纯电动汽车的对比分析 . 2. 2 4 燃料电池汽车发展趋势的分析 . 2.3 4.1 燃料电池汽车的发展优势 . 2.3 燃料电池汽车发展所面临的问题 . 2.3 燃料电池汽车的发展趋势 . 2.4 5 总结 2.7. 致谢 .2.8. 参考文献 . 2.9.宜宾职业技术学院毕业论文 1 丄 、八 、亠 1冃I言 汽车工业在促进世界经济飞速发展和

4、给人们提供便利的同时， 又展现出了其 双刃剑的另一面，它将能源与环境问题推到了日益尴尬的处境。 “能源、环境和 安全成为 21 世纪世界汽车工业发展的 3 大主题”。其中，能源与环境问题作为 全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发展的症结所在，更成为重中之重。 料电池电动汽车可以实现零污染排放和较高的能量转化效率， 且噪音低，能源来 源多样化，成为解决环境污染和能源问题的最佳方案之一。 传统汽车工业的可持续发展面临着解决环境污染和能源短缺的双重压力。 环境问题主要表现在空气污染。在南方许多城市，汽车尾气已经成为大气污 染的首要污染源。研究表明，广州市空气污染的主要污染来源是： 机动车尾气占

5、22%、工业污染源占 20.4%、建筑工地扬尘污染占 19.2%,汽车尾气被市民评为 “最不可忍受的污染物”。位列我国第一批环保模范城的深圳市， 大气污染中机 动车尾气污染已占 70%，每年排放的各种有害物质达 20 多万吨，并且还在以每 年超过 20%的速度上升。在北方城市中，近年来随着大量工厂的迁出和采暖结 构的改善，工业污染、燃煤污染对城市污染的贡献率正大幅下降， 而汽车污染的 “座次”则均有不同程度的上升，已成为主要的污染源。老工业基地沈阳在黑烟 囱日益消失的同时，汽车污染急剧上升，尾气所产生的污染物所占比例逐年增加。 国家环保总局的一项报告说，在中国的大雾天气中，汽油造成的污染占 7

6、9%。全 世界空气污染最严重的 20 个城市中，就有 16 个在中国。严重的环境污染不仅导 致高昂的经济成本和环境成本，而且对公众健康构成构成危害，是我国全面建设 小康社会对环境的要求面临巨大挑战。由于大气状况严重恶化引起一系列异常的 自然现象，如光化学反应、酸雨以及厄尔尼诺、城市热岛效应等，严重破坏和影 响到人类耐以生存的地面生态系统。此外我国已经成为世界上 CO2 的排放大国， 由此产生的国际政治和经济争端将会愈演愈烈。 能源问题的表现形式为现有能源供应体系对石化燃料的过度依赖。 目前，全 世界依赖最深的主要能源集中于第一位的石油以及占第二位。第三位的煤炭和天 然气，而汽车消耗的能源几乎完

7、全依赖于石油的制成品。据 IEA 发布的世界 宜宾职业技术学院毕业论文 2 能源展望 2008预测，从 2006 年至 2030 年世界一次能源需求从 117.3 亿吨油当 量增长到了 170.1 多亿吨油当量，增长了 45%，平均每年增长 1.6%。全球能源 需求的增长率比世界能源展望 2007预测的要低一些，主要是由于全球能源 价格上涨和经济增长放缓（特别是 OECD 国家）。至 V 2030 年化石燃料占世界一 次能源构成的 80%，比目前略低一些。虽然从绝对值上来看，煤炭需求的增长超 过任何其它燃料，但石油仍是最主要的燃料。据估计， 2006 年城市的能源消耗 达 79 亿吨油当量，占

8、全球能源总消耗量的三分之二，这一比例将会在 2030 年 上升至四分之三。据预测，2025 年的世界石油供应将比 2001 年增加 4400 万桶/ 天。产量的增加不仅来自 OPEC 国家，也来自非 OPEC 产油国。然而，总增加 量中可能只有40%来自非 OPEC 国家。 在过去 20 年中， 非 OPEC 产油国的石油 产量增加导致 OPEC的市场占有率远远低于其历史最高市场份额 1973 年的 52%。新的勘探和开采技术、工业成本降低、政府对厂商的财税优惠政策都有利 于 OPEC 产油国石油生产量的继续增加。未来 20 年中石油需求增加量中的 60% 将由OPEC 成员国产量的增加来完成

9、，而不是依靠非 OPEC 产油国。预计在 2025 年 OPEC石油产量比其在 2001 年的产量高出 2500 万桶/天。一些分析家提出 OPEC 可能通过保留生产能力扩张的策略来追求价格继续攀升。 能源安全与环境保护已成为制约汽车工业可持续发展的重要因素， 推动汽车 能源动力系统转型、实施节能减排战略成为国际汽车工业面临的共同选择。 面对环境、能源的挑战，发展燃料电池电动汽车成为必然。 燃料电池电动汽 车以电动机为动力，用燃料电池作为能源转换装置，利用氢气作为燃料。与传统 内燃机汽车相比，FCEV 不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化 效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点

10、， 同时仍然可以保持传统内燃机 汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是 21 世纪首选的洁净、 高效运输工具。国内外专家普遍认为燃料电池技术将成为 21 世纪汽车工业核心。 国家863 计划中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。宜宾职业技术学院毕业论文 3 2燃料电池汽车的结构原理 燃料电池汽车是一种节能、无污染、环保型汽车，是未来汽车发展的趋势。 其关键技术燃料电池所具备的的优势， 是内燃机所无法媲美的。随着近年来燃料 电池的日趋成熟，燃料电池汽车的发展备受关注，世界各国政府和各大汽车厂商 都纷纷投入巨资进行研究和开发。联合国发展计划署（ UNDP ）和全球环

11、境基金 （GEF）资助巴西的圣保罗、墨西哥的墨西哥城、中国北京和上海等大城市开张 了燃料电池公交客车的运行示范工作，其目的在于促进燃料电池的商业化进程。 美国能源部制定了“氢计划”，投入 30 亿美元用于开发氢燃料技术，并将燃料 电池汽车产业化。政府还会对使用燃料电池汽车的用户给予一定的补贴，并减少 用户纳税额。日本的发展目标是，要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油机 的水平，并且开始从政府部门开始普及燃料电池汽车。 同时，政府为了 5 年在该 计划上的预算为 8800 万美元，预计到 2020 年，政府共投资 40 亿美元。欧盟也 制定了氢能发展策略，拨专款用于氢能和燃料电池的开发，欧洲数

12、十个城市已经 开始燃料电池公共汽车商业化载客示范运行。 各大汽车厂商也都在从事燃料电池 汽车的研发工作，并先后推出了各自的新型燃料电池汽车。 我国也在积极开展对 燃料电池汽车额研究和开发。 车开发，被列入国家“ 863” 电动车重大专项中，予以重 点资助。中科院大连化学物 理研究所、同济大学、上汽 集团、二汽集团等都在积极 地研究和开发燃料电池汽 车，并已经取得一定的成果。 燃料电池汽车内部结构如图 2-1 所示。 图 2-1 燃料电池汽车内部结构示意图 2.1 燃料电池系统的组成和工作原理 “十五”期间, 宜宾职业技术学院毕业论文 4 燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转化为电能的 “发电

13、装置”，是化 学反应的发生器。燃料电池的反应机理是将燃料电池中的化学能不经燃烧而直接 转化为电能。氢氧燃料电池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学反应过程中的燃料和 氧化剂。图 2-2 所示为燃料电池电化学反应原理示意图。 其反应过程如下： 电解质 图 2-2 燃料电池原理示意图 （1） 氢气通过管道或导气板到达阳极。 （2） 在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢原子，并且释放出 两个电子，阳极反应为 出2H+2e- （3） 在电池的另一端，氧气（或者空气）通过管道或导气板到达阴极，同 时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子

14、通过外电路也到达阴极。 （4） 在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反 应为 O2+2H+2e- H2O 总的化学反应为宜宾职业技术学院毕业论文 5 H2+O2 H20 与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出 电能。 燃料电池的工作原理和普通电化学原电池和充电电池类似， 都是通过电化学 反应将化学能转换为电能，但两者之间还是有本质差别的。普通的原电池或充电 电池是一个封闭系统。封装后它与外界只存在能量交换而没有物质交换。当内部 的化学物质耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。只要保证物 质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。

15、从这个意义上来讲，燃料电池 本身是一个开放的发电装置，这正是燃料电池与普通的最大的区别。 质子交换膜 燃料电池原理如图 2-3 所示。 疋扱催优剂展 Hsf 2呼2孑 正槻反应区 图 2-3 质子交换膜燃料电池原理图 燃料电池的种类较多。按燃料的类型可分为直接型、间接型和再生型三类， 其中直接型和再生型燃料电池类似于一般的一次电池和二次电池， 直接型燃料电 池根据工作温度可分为低温型（v 100C）、中温型（100300C）和高温型（500 1000 r）三种。按采用的电解质类型来分，燃料电池大致可分 6 种：碱性燃料电 池（AFC）、磷酸燃料电池 （PAFC） 、 固体氧化物燃料电池 （SO

16、FC） 、熔融碳 酸盐燃料电池 （MCFC） 、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池 （DMFC）。表 2-1 是各种燃料电池的主要电化学反应。宜宾职业技术学院毕业论文 6 表 2-1 燃料电池的种类及其基本电化学方程式 中文名称 英文缩 写 正极反应 通过电解质 的移动离子 负极反应 碱性燃料电 池 AFC + - H2 T 2H +2e + H O2+2H 2O+4e T 4OH 直接甲醇燃 料电池 DMFC + - CH3OH+H2CT 6H +6e +C O2 + H + 3O2+6H +6eT 3H2O 熔融碳酸盐 燃料电池 MCFC H 2+TH 2O+CO2+2e

17、+ H O2+2CO2+4e T 2CO； 质子交换膜 燃料电池 PEMFC + - H2 T 2H +2e + H + O2+H +4e T 2H2O 固体氧化物 燃料电池 SOFC 2- - H2+O TH 2O+2e CO2- - 2- O2+4e T 2O 磷酸燃料电 池 PAFC + - H2 T 2H +2e O2- O2+4H 2O+4e T 2H2O 2.2 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理 燃料电池电动汽车（FCEV）简称为燃料电池汽车，其定义是以燃料电池系 统作为动力源或主动力源的车辆。燃料电池用于车辆驱动，为能源问题和环境污 染问题提供了一个有的解决方案。 随着燃料电

18、池技术的不断发展，如何将燃料电 池应用于车辆系统，解决它与车辆众多复杂子系统之间的匹配等问题随之出现。 FCEV 与其他电动汽车的根本区别是所用的动力源以燃料电池为主， 而对于电机 驱动、传动机构以及汽车所需的各种辅助功能等基本相同。 燃料电池汽车的结构有多种形式：按照驱动形式，可分为纯燃料电池驱动和 混合驱动；按照燃料电池系统的能源来分，又可分为车载纯氢和燃料重整两种方 式。由于燃料电池电动汽车正处在研究的初级阶段， 所以各种技术竞相试用并各 有优缺点。 2.2.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统 宜宾职业技术学院毕业论文 7 燃料电池的种类不同和选配的辅助电池组种类不同，构成了动力路线的多

19、样性。燃料电池单独驱动车型驱动系统一般由燃料箱、燃料电池、电机控制 器、电机、信号线路等组成，如图 2-4 所示。 图 2-4 燃料电池单独驱动汽车动力传动系统结构图 燃料电池单独驱动汽车动力传动系统实为纯燃料电池驱动系统。 燃料电池系 统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线床驱动电机， 驱动电机将电能转化为机 械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。这种系统结构的优点如下： （1） 系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。 （2） 系统部件少，有利于整车的轻量化。 （3） 较少的部件使得整体的能量传递效率高， 从而提高整车的燃料经济性。 但是，这种系统也对燃料电池提出了较高的要求： （1） 为了

20、减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。 （2） 为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效 率。 （3） 燃料电池应具有较快的动态响应。 （4） 燃料电池应具有较好的冷起动态能。 由于燃料电池无法充电，所以这种形式的结构燃料电池电动汽车无法实现制 动能量回馈，这将影响系统能量效率的提高。单一燃料电池结构形式的汽车以巴 拉德公司和戴姆勒-克莱斯勒公司的车型为代表。戴姆勒-克莱斯勒公司开发的燃 料电池大客车长度为 912m，燃料电池系统的功率 200250KW，最高车速可 达 80 Km/h，续驶里程为 200400Km。 纯燃料电池汽车只有燃料电池动力源，汽车的所有功率负荷都

21、由燃料电池承 担。宜宾职业技术学院毕业论文 8 其主要缺点如下： 燃料电池的功率大，成本高。 对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求。 不能进行制动能量回收。 222 燃料电池混合动力汽车动力系统 基于纯燃料电池汽车上述这些不利因素， 现在已较多的采用了混合驱动这种 结构形式。这种结构形式既以燃料电池系统作为主动来源， 又增加了动力电池组 或超级电容作为辅助动力源，其整体结构如图 2-5 所示。混合驱动型燃料电池汽 车的动力系统结构主要由燃料电池系统、 DC/DC 转换器、辅助动力源、驱动电 机以及各相应的控制器，再加上机械传动与车辆行驶机构等组成。 图 2-5 混合驱动燃料电池汽车

22、 DC/DC 转换器 燃料电池由于制造工艺和对其使用安全性的考虑，其输出电压一般比电动汽 车动力电源所要求的电压低，且特性较软，即随输出电流的增加，电压下降幅度 较大。为了实现燃料电池系统输出电压与电机驱动电压相匹配，中间需要通过 DC/DC 转换器，即通过 DC/DC 转换起到升压和稳压的调节作用。 它不仅为了满 足驱动电机的需要，也为了混合动力系统中需与辅助动力源中的动力电池等工作 电压相匹配，并且 DC/DC转换器能够对燃料电池的最大输出电流和功率进行控 制，起到保护燃料电池系统的目的。 （2）辅助动力源 宜宾职业技术学院毕业论文 9 辅助动力源有 3 种方式：动力电池、超级电容和动力电

23、池+超级电容，由此 所构成的混合动力辅助系统分别被称为“ FC+ B ”、“ FC+ C”、“FC+ B + C” 3 种结构形式。 在“燃料电池+电池”动力系统结构中，燃料电池和动力电池一起为驱动电 机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系， 从而驱动汽车前进；在 汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池将储存回馈的能量。在燃料电池和 动力电池联合供能时，燃料电池的能量输出变化较为平缓，随时间变化波动较小， 而能量需求变化的高频部分由动力电池分担。 FC+B 型燃料电池汽车混合动力系统结构优点如下： 1） 由于增加了比功率价格相对低廉得多的动力电池组，系统对燃料电池的 功率要求较单一

24、燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本。 2） 燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池的效 率较高。 3）汽车的冷起动性能较好。 4）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低。 5） 制动能量的回馈可以回收汽车制动时的部分功能，该措施可以增加整车 的能量效率。 而这种结构形式也存在一些缺点： 1）动力电池的使用是的整车的质量增加，动力性和经济性受到影响，对能 量复合型混合动力汽车上的影响更为明显。 2）动力电池充放电过程会有能量损耗。 3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。 在“燃料电池+超级电容” （FC+ C）动力系统结构中，动力电池被其他储 能装置

25、（如超级电容、飞轮储能器等）所代替，而采用燃料电池与超级电容组合， 完全摒弃了寿命短、成本高、使用要求复杂的电池。采用超级电容的突出优点是 寿命长和效率高，可大大降低使用成本，有利于燃料电池汽车的商业化推广和应 用。 燃料电池+动力电池+超级电容结构（FC+ B + C 型）的动力系统结构中，燃 料电池、动力电池和超级电容一起为驱动电机提供能量， 驱动电机将电能转化为 机械能传宜宾职业技术学院毕业论文 10 给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机， 动力电池和超级电容将储存回馈的能量。 FC+ B + C 型结构的优点比燃料电池+动力电池结构形式的优点更加明显， 尤其在部

26、件效率、动态特性、制动能量回馈等方面。而其优点也一样更加明显： 1） 增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。 2） 系统更加复杂，系统控制和整体布置的难度也随之增大。总的来说，如 果能够对系统进行很好的匹配和优化，这种结构带了的良好性能具有很大的吸引 力。 燃料电池汽车不同动力驱动系统结构特征比较见表 2-2。 表 2-2 燃料电池汽车不同动力驱动系统结构特征比较 动力系统 结构 FC 单独驱动 FC+B 能量混合型 FC+B+C 功率混合型 结构特点 结构最简单，无法实现 制动能量回收 结构较为复杂，动力电 池质量、体积较大 结构复杂，动力电池质 量、体积较小 燃料经济性 最差 较优 最

27、优 燃料电池寿 命与安全性 当汽车功率需求较大 时，燃料电池易发生过 载， 难以满足动态响应 要求， 系统寿命较短 当汽车功率需求较大 时，燃料电池发生过载 概率小，系统寿命长 当汽车功率需求较大 时，燃料电池可控制在 最咼效率点恒功率输出 不易发生过载，系统寿 命长 2.3 典型的燃料电池汽车结构 燃料电池以其特有的燃料效率高、比能量大、功率大、供电时间长、使用寿 命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物 NOx等优点正引起世界各国的注 意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少 99%，CO2 的生产量减少 75%，电池能量转换效率约为内燃机效率的 2.5 倍。这种电池将

28、有 可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源。近年来，一些厂家如戴姆勒 -克莱斯 勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车。 汽车界人士认为 FCEV 是汽车工业额一大革命，是 21 世纪真正的绿色环保车， 是最具实宜宾职业技术学院毕业论文 11 际意义的环保车种。 （1）通用 Autonomy 燃料电池概念车 Autonomy 是以氢为原料的燃料电池车，有超前的流线形车身，滑板一样的 平坦底盘，加上 4 个轮子，车身加底盘，这就是 Autonomy 的构成。其外形和滑 板设计如图2-6, 2-7 所示。 图 2-6 通用 Autonomy 燃料电池概念车的外形 图 2

29、-7通用 Autonomy 燃料电池概念车的滑板设计 Autonomy 的所有车内系统都集中在底盘中，底盘上有操纵系统的标准接口， 还有车身机械锁定装置与系统外联装置， 这是一种通用的固定模式。但车身（车 厢）部分形状可以随心所欲，可以选择象展会的 Autonomy 模样的车身，也可以 选择其它模样的车身，将车身放在底盘上，通过机械锁定装置与系统外联装置， 即刻合成了一辆汽车。这样，将来客户只要拥有一个底盘，就可以根据自己的爱 好和需求租用各种类型的车身，随意地变换使用。这也许就是 Autonomy 的魔力 宜宾职业技术学院毕业论文 12 所在。 另外一个引人注目的地方，Autonomy 采用

30、了一种称为线传操控技术 “ X-by- Wire”，使用这种技术使得汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过 电子方式而不是传统的机械方式进行控制。也就是说，象方向机柱、踏板连杆、 变速杆连杆等刚性传动件将会消失，用导线、继电器、电磁阀等元件组成的传动 系统代替刚性传动件。在这样的变化下，驾驶者既可坐在左侧或右侧，也可坐在 中间，甚至坐在任意位置操纵汽车。由于采用线传操控技术， Autonomy 的所有 操纵系统都可以集中在底盘，底盘与车身之间只是接口连接，将车厢内驾车者的 操纵信息传送至底盘内的操纵系统。 据了解，这种线传操控技术不是一种不成熟的新技术， 它已经做为一种技术 商品应用到

31、一些新型汽车上了，例如新型宝马 7 系列采用线传操控系统，用于变 速箱和油门，使其操控更为精确。而 Autonomy 上的线传操控技术则是由瑞典 SKF 公司生产的。 （2）现代 i-Blue 燃料电池电动概念车 这款全新的氢动力、零排放的概念车 i-Blue 燃料电池电动车是在位于日本 千叶的现代设计与技术中心研发的。全新的 i-Blue Flue cell 概念车生产平台 结合了现代第三代燃料电池技术， 这种技术则是由韩国 Mabuk 的现代公司生态化 技术研究机构研发的。 为了体现“可持续发展与环境保护”的主题，i-Blue 概念车表明了现代公 司已向其燃料电池汽车商业化的目标迈出了重要

32、的一步。 与之前基于 SUV 平台生 产的车型不同，i-Blue 概念车拥有全新的 2+2 交叉型多用途运载车（CUV 的体 型。如图 2-8 所示。宜宾职业技术学院毕业论文 13 i-Blue 概念车是现代公司设计的第一款完全运用了燃料电池技术的车型， 是我们研发计划的一次巨大飞跃。 （3）本田 FCX Clarity 燃料电池电动车 本田独自研发的燃料电池电动车 FCX Clarity （如图 2-9 所示），具有零下 30 度启动的低温启动功能，续航能力达到 620km（0 本 10-15 工矿）。FCX Clarity 已在日本和美国市场进行租赁销售，是一款具有真正实用价值的终极环保车

33、型。 Honda正在为燃料电池电动车的普及，做着不懈的努力。 图 2-9 本田 FCX Clarity 燃料电池电动车 FCX Clarity 以 Honda 独创的燃料电池堆“ V Flow FC Stack ”技术为核心， 实现了燃料电池电动车特有的未来感设计、 划时代的整体封装布局、以及超凡的 驾驭感受。不仅具备不排放 CO2的终极清洁性，还赋予汽车独特的新价值和新 魅力。 FCX Clarity 搭载 Honda 新开发的燃料电池堆“ V Flow FC Stack”，采用 Honda 独创的氢气和空气竖直流动的“ V Flow电池单元构成”，还采用使氢气和空气 波状流离压氮* 锂 S

34、S 子电池 图 2-8 i-blue 的概念车 V Flow FC Stack 宜宾职业技术学院毕业论文 14 动的“波状隔板”，和上一代相比，性能有了飞跃性提高，并实现了轻质 和小型化。新型燃料电池堆的最高功率提升至 100kW，与上一代燃料电池堆相 比，体积功率密度提高 50%，重量功率密度提高 67%。低温启动性能提升至零 下 30摄氏度以上。 FCX Clarity 采用的电动马达功率达 100kW，与上一代相比，整体动力单元 的重量功率密度提高 1 倍， 体积功率密度提高 1.2 倍， 实现了轻质小型化和高功 率的高度统一。此外，节能性提高 20%，续航里程提高 30%。宜宾职业技术

35、学院毕业论文 15 3燃料电池汽车的现状分析 3.1 国外燃料电池汽车的现状 长期以来，世界各国政府和主要汽车集团都高度重视燃料电池汽车研发， 投入大量资金用于燃料电池汽车及氢能研发、试验考核和市场培育。继在第六 框架计划中拿出大量资金用于燃料电池汽车和氢能研究， 2009 年，欧盟批准燃 料电池和氢能技术项目行动计划，计划从欧盟第七框架计划中拿出 4.7 亿欧元， 持续资助燃料电池汽车及基础设施技术研发。德国政府高度重视燃料电池汽车 及氢能研发，交通部、环境署、经济部等部门联合启动燃料电池及氢能国家创 新计划，拟与企业联合资助 14 亿欧元，用与燃料电池汽车、氢能等关键技术研 发，以确定德国

36、在燃料电池汽车领域的国际领先地位和竞争力。以经产省为代 表的日本政府高度重视并持续开展燃料电池汽车和氢能开发，在过去 30 年时间 内先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和 示范推广。隶属于经产省的燃料电池商业化组织(FCCJ)先后与 2009 年 7 月和 2010 年 7 月发布了燃料电池汽车和加氢站 2015 年商业化路线图，明确指出 2011 年-2015 年开展燃料电池汽车技术验证和市场示范，随后进入商业化示范推 广前期。为落实燃料电池汽车在日本的推广， 2011 年 1 月，包括丰田、本田、 尼桑三大汽车厂商在内的日本 13 家汽车和能源企业共同签订协议

37、，决定在东 京、大阪、名古屋和福冈四大都市圈的市区和高速公路上建立 100 座加氢站， 并通过完善设计、改善生产技术等方法大幅降低燃料电池汽车生产成本，培育 燃料电池汽车市场。美国政府对燃料电池汽车支持在布什任职期间达到顶峰， 在奥巴马政府期间，美国能源部宣布从美国振兴计划( American Recovery and Reinvestment Act Funding)中拨款 4190 万美元支持燃料电池特种车的研发和示 范，另在 2011 年美国财政预算中安排 5000 万美元用于燃料电池和氢能技术研 发。此外，加拿大、韩国、澳大利亚、巴西、法国和英国等国家政府积极支持 燃料电池汽车和氢能研

38、发。2009 年，戴姆勒、福特、通用、丰田、本田和现代 汽车 6 个世界主要汽车公司签署备忘录，持续开展燃料电池汽车研发，计划于 宜宾职业技术学院毕业论文 16 2015 大力推广燃料电池汽车，并快速形成几十万辆燃料电池汽车保有量。 经过长时间、持续稳步的支持，国外燃料电池汽车产品的可靠性、环境适 应性（如低温启动性能）取得了重大突破，示范运行不断深入，并陆续推出用于 租赁商业化示范的先进燃料电池汽车，燃料电池汽车进入技术与市场示范阶 段。产品成本控制与配套基础设施建设成为制约燃料电池汽车商业化推广主要 因素。 3.1.1 美洲燃料电池汽车的现状 （1） 美国燃料电池汽车现状 20 世纪 60

39、 年代和 70 年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机 的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、 潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力， 开展燃料电 池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料 电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。 美 国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电（ PEMFC, 也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池） 和蓄电池并用提供 动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池， 其 燃料效率比内燃机

40、提高 1 倍，而产生的污染则只有内燃机的 5%。 （2） 加拿大燃料电池汽车现状 巴拉德（Ballard）汽车公司是 PEMFC 燃料电池技术领域中的世界先驱公司， 自1983 年以来，Ballard 公司一直从事开发和制造燃料电池。1992 年巴拉德公司 在政府的支持下，为运输车研制了 88kM 的 PEMFC 动力系统，以 PEMFC 为动 力做试验车进行演示。 1993 年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的 电动公共汽车样车，装备 105kW 级 PEMFC 燃料电池组，能载客 20 人，对于一 般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态氢气即可连续运行 480km。目前， Ball

41、ard 燃料电池的体积功率已达到 1kW/L 的目标。 3.1.2 欧洲燃料电池汽车的现状 （1）德国燃料电池汽车现状 德国奔驰公司和西门子公司合作于 1996 年推出了装有 PEMFC 的 NECARII 小客车。 2009 年， 德国主要的汽车和能源公司就与政府联合启动了“ H2Mobility Ini tiative ”宜宾职业技术学院毕业论文 17 计划。按照计划，德国将在 2015 年建成 1000 个加氢站，开始实现燃 料电池动力汽车的大规模商业化，到 2020 年将有 100 万辆电动车和 50 万辆燃料 电池汽车投入使用。 （2） 法国燃料电池汽车现状 开发出使用 运程”燃料电

42、池的电动汽车“ Fever”，它以低温储存的氢和空 气作燃料，发电功率达 20kW，电压为 90V，且采用先进的电子控制系统对电力 系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里， 以备汽车起动或加速时 使用。 （3） 英国燃料电池汽车现状 1992 年成立了国家燃料电池开发中心。 英国燃料电池技术的开发重点在燃 料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。质子交换膜燃料电池的研究重点 是改善催化材料的性能并探索铂（Pt）催化剂的涂覆方法，降低铂（Pt）含量， 提高铂（Pt）利用率和耐受 CO 的允许值。 3.1.3 亚洲燃料电池汽车的现状 （1） 日本燃料电池汽车现状 在日本燃料电池系统发展

43、中丰田公司处于领先地位。 丰田的目标是开发能量 转换效率达到传统汽油机 2.5 倍的燃料电池，且能和现用的汽（柴）油汽车一样 方便地添加燃料。日本还在 1981 年开发了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），随 后又研制了磷酸燃料电池（PAFC），1992 年又开发了比功率高、工作温度低、 结构紧凑和安全可靠的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。 （2） 韩国燃料电池汽车现状 韩国现代已经推出第三代燃料电池电动车 ix35。ix35 完全由氢燃料电池驱 动，这款零排放 SUV 是在 2010 年由 200 多名设计师在韩国现代的燃料电池研发 中心设计完成。 3.2 我国燃料电池汽车的现状 大力发展新能

44、源汽车是应对全球能源短缺和环境污染的重大战略举措。在 众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、燃料来源多元 化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展重要方向，是解决 全球能源问题和气候变化理想方案，因此，世界主要国家和组织投入大量资金 用于燃料电池汽车关键技术攻关。目前，国际燃料电池汽车现已进入技术与市 场示范阶段。在国际竞争日趋激烈宜宾职业技术学院毕业论文 18 环境中，随着技术研发和试验考核不断深 入，我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足，技术创新突破难、产业化基础薄 弱、专业人才缺乏等难题，严重阻碍了我国燃料电池汽车技术进步，因此，我 国要抓住新能源汽车战略性新

45、兴产业培育和发展的政策机遇，发挥政策引导作 用，聚焦重大、重点突破燃料电池汽车关键技术和共性技术，稳步推进燃料电 池汽车技术进步。 在国家“十五”“ 863”计划电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五” 节能与新能源汽车重大项目支持下，我国燃料电池汽车技术研发取得重要进 展，基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术； 建立了具有自主知识 产权的燃料电池汽车动力系统技术平台；形成了燃料电池发动机、动力电池、 DC/DC变换器、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系，具有 百量级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。研制的“超越”系列、 “上海牌”、“帕萨特”、“奔腾”、“志翔”

46、等燃料电池汽车经受住了大规 模、高温、大强度示范考核，成功服务于 2008 北京奥运会和 2010 年上海世博 会。在燃料电池关键基础技术研究方面，开发出高活性、抗聚集的电催化剂， 以及高比表面积、抗氧化的担体，开发出了与国际商品化水平相当的增强型符 合自增湿质子交换膜，研制出高导电性/高稳定性碳纸，初步解决了双极板的抗 腐蚀和导电性问题，掌握了丝网印刷膜电极技术。在燃料电池汽车整车及动力 系统平台前沿技术方面，建立了燃料电池汽车动力系统平台设计理论和方法， 探索了基于模块化思想的整车柔性适配技术，研发了燃料电池汽车功率控制单 元及其它关键零部件，开展了燃料电池汽车整车可靠性、电安全、氢安全、

47、一 体化热管理、智能容错控制、碰撞安全性等关键技术研究。在公共平台建设方 面，形成了燃料电池汽车开发软、硬件测试环境，建立了国家级燃料电池，系 统平台和车辆工程技术中心或测试基地，制定了 8 条燃料电池汽车及氢能专用 国家标准。但是，受限于传统车辆开发技术水平、燃料电池发动机功率密度、 动力系统可靠性、整车环境适应性等性能限制以及商业推广模式研究和基础设 施建设滞后等因素，我国燃料电池汽车仍然处于技术验证与特定考核试验考核 阶段。 燃料电池汽车是 十五”期间全国 12 个重大研究专项之一。其中，质子膜关 键技术被列为山东省第一号科技攻关项目，取得了重大突破。辽宁新源动力股 份有限公司承接国家“

48、 863”重大科研项目，研制了 200KW、110KW、60KW、 30KW、10KW、5KW 燃料电池系统、燃料电池电站、便携式电源等产品。在 宜宾职业技术学院毕业论文 19 “十一五”期间， 中国将继续加大对燃料电池汽车的研发投入， 推动核心技术 产业化。 2008 年奥运会，23 辆燃料电池汽车示范运行 7.6 万公里。到了 2010 年世博 会，这个数字上升到 196 辆和 91 万公里。2012 年 3 月两会期间，科技部电动汽 车重大项目管理办公室副主任甄子健认为，燃料电池汽车在 5 到 10 年后，将可 以像近两年的电动汽车一样，通过示范运行进入商业化销售阶段。 3.3 国内外燃

49、料电池汽车技术现状的对比分析 3.3.1 燃料电池整车集成技术 如表 4-1 所示，我国自主开发的燃料电池汽车在车型开发、整车动力性、续 驶里程、燃料电池发动机功率等方面与国外存在一定的差距，在等效燃料经济性 水平和车辆噪声水平与国外基本处于同一水平。 表 4-1 国内外燃料电池汽车技术状态对比 参数 车辆制造商 上汽集团 上海牌 戴姆勒 B Class F-Cell 本田 Clarity 丰田 FCHV adv 通用 Provoq 整车整备质里（Kg） 1833 1700 1625 1880 1978 百公里加速时间（S） 15 10 11 / 8.5 最高车速（Km/h） 150 170

50、160 155 160 续驶里程（Km） 300 600 570 830 483 燃料电池发动机最大功率（KW） 55 80 100 90 88 储氢系统压力（MPa） 35 70 70 70 70 冷启动系统 0 C -25 C -30 C -30 C -25 C 电机功率/转矩（KW/Nm） 90/210 100/290 100/260 90/260 150/Na 在燃料电池汽车车型平台开发方面，国外已经由基于传统车辆平台改造形成 燃料电池汽车模式走向为燃料电池汽车打造全新整车平台阶段， 如本田汽车公司 Clarity，丰田汽车公司 FCHV，戴姆勒奔驰公司 F-Cell 和通用公司 Ch

51、evrolet Equinox等均是为燃料电池汽车动力系统技术平台而全新打造的专用化整车平 台，基于这些整车平台，国外汽车公司开展了如空气动力学性能、轻量化、车身 碰撞安全性、底盘系统主动控制以及面向舒适性的人机界面与人机工程等研究。 在国内，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电 池轿车均基于传统内燃机车辆进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身开发、 底盘开发、底盘动力学主动控制等宜宾职业技术学院毕业论文 20 关键技术，与国外存在较大差距。 在车辆动力性能方面，主要受限于燃料电池功率输出水平和整车集成及轻量 化技术水平，我国燃料电池汽车整车加速性能明显低于世界主流燃

52、料电池汽车加 速性能。 在车辆续驶里程方面，到目前为止，我国基本掌握了 350MPa 高压储氢和加 注系统关键技术，实现高压氢气瓶等部件国产化开发， 但某些关键阀门、传感器 还依赖进口，700MPa 氢气存储关键技术和关键部件仍然处在研发阶段，其直接 制约了我国燃料电池汽车续驶里程提高。 在整车燃油经济性水平、车外噪声水平上。我国燃料电池汽车与国外同类型 汽车处于同一水平甚至领先地位（参考 2006 年法国必比登挑战赛结果，燃油经 济性等效为传统内燃机汽油消耗：3-3.5L/100 公里，车外加速噪声维持在 70dB 左右）。 3.3.2 燃料电池发动机技术 在燃料电池发动集成度方面，我国轿车

53、用燃料电池发动机输出功率等级、功 率密度等性能参数明显低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池技术性能 （国外 燃料电池电堆质量功率密度已超过 1600W/kg，体积功率密度已超过 2700W/L ； 而国内燃料电池电堆质量功率密度维持在 700W/kg 左右，体积功率密度维持在 1000W/L 左右）。 在燃料电池发动机环境适应性尤其是低温冷启动性能方面， 国外燃料电池汽 车已经实现甚至环境中冷启动，并在北欧瑞典地区开展冬季寒冷工况下实车道路 实验。相比国外，我国燃料电池汽车冷启动性能基本上还处在水平， 燃料电池电 堆也仅在实验室中实现环境中启动。 在燃料电池发动机可靠性、寿命方面，国外燃料电池

54、电堆 2010 年寿命水平 比 2003 年提高两倍，其中燃料电池质子交换膜已经超过 7300h(采用美国 3M 公 司的MEA )，电堆实验室寿命提高到 5000h 以上，安全性和可靠性水平基本达 到了传统内燃机汽车同等水平。在整车可靠性和寿命方面，其性能已经基本满足 整车产品需求。戴姆勒奔驰汽车开发的 F-Cell 系列样车已经进行了总共超过 450 万公里的路试。美国UTC 公司通过改进燃料电池系统控制策略，规避或减缓由 起停、动态加载、低载怠速、零下储存与启动等过程导致的燃料电池寿命衰减， 其与 AC Tran sit 运输公司合作在加州奥克兰市开展燃料电池汽车示范运行， 截至 宜宾职

55、业技术学院毕业论文 21 2010 年 6 月底，其 120kW 的燃料电池系统(PureMotion Model 120)在没有更换 任何部件情况下运行了 7000h,远远超过了美国能源部制定的 2015 年 5000h 寿 命目标。相比国外，我国燃料电池汽车虽然经受住了北京奥运会、 美国加州示范 运行和上海世博会等大型国际活动的高温、 高强度示范运行考验，但燃料电池电 堆及关键部件寿命仍然无法满足整车产品寿命要求， 低压燃料电池单堆动态循环 工况试验运行时间仅突破 1500h,预测寿命亦仅 2000h。 在燃料电池发动机成本控制关键技术研究方面， 国外一方面研究低铂燃料电 池技术，减少催化

56、剂用量，另一方面研究催化剂抗毒性，降低其运行成本，同时 还开发非铂催化剂来代替贵重金属 Pt。在低铂燃料电池技术方面，目前国外已经 研制低铂用量燃料电池电堆。通用公司通过采用核壳型合金催化剂、有序化 MEA 等技术，不但提高了燃料电池性能，而且 Pt 担量也得到了大幅度降低，一台燃 料电池发动机中贵金属催化剂 Pt 的用量从上一代的 80g 降低到 30g，并计划于 2015年降低到 10g。丰田公司开发的燃料电池电堆 Pt 用量也降低到原来的 30%。 催化剂抗毒性已经成为国际研究热点，国外科研机构试图通过提高催化剂抗毒 性，使燃料电池可以直接利用粗氢发电， 从而降低其运行成本。在非铂燃料电

57、池 技术方面，国际积极开发其它类型如碱性聚合物膜燃料电池， 实现催化剂材料非 Pt 化，从而降低燃料电池发动机成本。2010 年 4 月，美国洛斯阿拉莫斯国家实 验室宣布，该研究机构已经开发出由碳、铁、钻组成的催化剂，其成本非常低， 而其性能可以和铂基燃料电池电堆最高水平相比， 且在遏制过氧化氢产生等方面 明显优于铂基燃料电池电堆。一系列研究成果直接推动燃料电池汽车成本降低， 据美国 DOE 估计，燃料电池系统成本已由 2002 年的 275 美元/kW 降低至 2009 年的 62 美元/kW （按 50 万套产量测算）。近期丰田公司高层公开宣布，2015 年 将实现燃料电池汽车零售价 5

58、万美元/辆的目标。此外，随着新研制非铂催化剂 大量使用，燃料电池汽车成本还将进一步降低。我国于“十一五”末期已经开始 开展燃料电池汽车成本控制研究，受限于燃料电池发动机和氢气存储系统成本， 燃料电池轿车成本仍然很高。 3.3.3 高压储氢系统技术 目前国外主流燃料电池汽车车型均采用 70MPa 的氢气存储和供给系统，而 国内燃料电池汽车的高压氢气存储系统压力仍然维持在 35MPa 水平，这一定程 宜宾职业技术学院毕业论文 22 度上影响了我国燃料电池汽车整车续驶里程能力。与此同时，国内 35MPa 的氢 气存储和供给系统中的传感器、阀门等零件还依赖进口，直接导致氢气存储与供 给系统成本过高。

59、3.4 燃料电池汽车与纯电动汽车技术对比分析 与纯电动汽车相比，燃料电池汽车具有续驶里程长、低温冷启动性能好和能 量补充快等优点（见表 4-2），但产品成本高和基础设施稀缺；燃料电池汽车性能 基本满足用户需求，必将成为未来高端纯电驱动车辆主体车型。 随着新型非铂催 化剂的研制成功和应用，燃料电池汽车成本将进一步降低，燃料电池汽车市场化 进程将大幅提速。 表 4-2 纯电动、燃料电池及传统内燃机对比分析表 车辆类型 技术参数 整车动 力性能 冷启动 温度 续驶里程 （Km） 能量补给速度 （min） 整车成本 （万元） 基础设 施建设 燃料电池乘用车 好 -30 C 800 5 80-150 稀

60、缺 纯电动乘用车 好 -5 C 100 快充： 30 慢充： 300 换电：10 30-50 缺 宜宾职业技术学院毕业论文 23 传统内燃机汽车 好 -30 C 600 5 10 完善 兀善 宜宾职业技术学院毕业论文 24 4燃料电池汽车发展趋势的分析 汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代 物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考 虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时问尚不具备商业化的条件。 最 乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需 15 年以上的 时问，即使在一定程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方