燃料動力鋰電池汽車技術及其發(fā)展概況-瑞達國際集團

　　燃料動力鋰電池汽車技術及其發(fā)展概況

　　一：燃料動力電池概述：

　　燃料動力電池(Fuelcell)，是一種通過氧化還原反應將燃料(氫氣)轉換成電力的裝置，最早由英國物理學家威廉格魯夫爵士發(fā)明，由于燃料動力電池具有質量能量密度高、能量輸出穩(wěn)定、可靠性高、不出現(xiàn)有害排放物(一般只生成水)、使用成本低廉等優(yōu)點，燃料動力電池獲得了較快的發(fā)展。

　　工作原理：

　　然后氫離子通過電解質薄膜(ElectrolyteMembrane)到達陰極(Cathode)。同時，氧化劑(氧氣)通過氣體通道到達陰極，與通過電解質薄膜到達陰極的H+在催化劑用途下發(fā)生陰極反應：

　　反應過程結束，出現(xiàn)電能以及副產物水。

　　2)特點

　　燃料動力電池的諸多優(yōu)點使得其在汽車上有廣泛的應用前景，燃料動力電池有很多的優(yōu)點：

　　1.燃料動力電池的能量轉換效率高。

　　由于燃料動力電池采用電化學反應，與內燃機的氣體膨脹做功方式不同。燃料動力電池的能量轉換過程中不涉及燃燒，理論轉換效率高達100%(但由于電化學反應也不可防止的要生成熱量，實際效率一般為60%~80%)，使用效率更可達普通內燃機的2-3倍。

　　2.真正清潔無污染

　　由燃料動力電池的工作方式看，燃料動力電池對環(huán)境無污染。燃料動力電池是通過電化學反應,而不是采用燃燒(化石燃料)或儲能(蓄電池)方式輸出能量。燃燒會釋放如CO2、NO2、SO2等溫室與有害氣體以及粉塵等污染物。相對而言，燃料動力電池正常工作時只出現(xiàn)水和熱(產熱很小)。假如氫是通過可再生能源出現(xiàn)的，那么就可以做到真正的清潔無污染。

　　雖然蓄電池工作過程中也不出現(xiàn)環(huán)境污染，但是蓄電池的制造過程一般會對環(huán)境造成較大的負面，例如市面上采用最為廣泛的聚合物鋰離子電池、鎳氫蓄電池等可充電電池，在生產時要用到鎳、鋰等難煉制金屬，而且鎳、鋰礦的開采以及鎳、鋰(鋰是極活潑元素)的提取要耗費巨大的資源，間接造成了環(huán)境的污染。

　　3.安靜無噪聲

　　燃料動力電池運行安靜,沒有機械運動部件，噪聲大約只有55dB,僅僅相當于人們正常交談的水平。

　　4.能量密度高，功率輸出平穩(wěn)

　　通過改變燃料動力電池的反應條件，甚至可以瞬時將輸出功率提高到額定功率的200%。

　　5.燃料補充方便：

　　可以以氫氣、甲醇、天然氣等作為資源，可以方便的利用現(xiàn)成的加油站系統(tǒng)改造燃料動力電池汽車所需的加氫站，加氣站。

　　3)存在的問題：

　　雖然燃料動力電池系統(tǒng)有很多的優(yōu)點，仍然存在不少不足。

　　最重要的問題就是過高的成本，由于燃料動力電池要用昂貴的鉑催化劑，造成燃料動力電池的成本一直居高不下，雖然最近幾年隨著國際社會加大了對燃料動力電池的開發(fā)力度，使得成本有所下降，但是較高的成本依然是燃料動力電池技術廣泛普及的最大障礙。

　　其次，燃料動力電池的燃料-氫氣的儲藏與制備技術仍不成熟。大規(guī)模的制造氫氣仍然一定的問題。

　　4)與普通蓄電池的差別

　　1.燃料動力電池是將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置(嚴格意義上講燃料動力電池不是電池，只是一個能量生成裝置)。但燃料動力電池在出現(xiàn)電能時，參加電化學反應的燃料在經過反應后，被不斷地消耗且生成不可重新利用的反應物。因此，燃料動力電池要不斷地輸入燃料。燃料動力電池的技術性能確定后，只要源源不絕地供給燃料，就可以源源不絕地出現(xiàn)電能，其放電特性是持續(xù)進行的，但是燃料動力電池不可以充電。

　　2.普通蓄電池是一種能量儲存裝置，只存儲電能，不出現(xiàn)電能。蓄電池的活性物質隨蓄電池的充電和放電反復進行可逆性化學變化，活性物質一般不會出現(xiàn)消耗。普通蓄電池的技術性能確定后，必須先充電，將電能儲存到電池中，才能在工作時輸出電能，而且在電能消耗完后，必須在重復充電后才可能重復使用，其放電特性是循環(huán)進行的，而且使用壽命一般與燃料動力電池相比較短。

　　二.燃料動力電池汽車結構與特點

　　燃料動力電池汽車按燃料種類可分為：

　　1、以純氫氣為燃料的燃料動力電池汽車;2、以天然氣，汽油等富含氫原子的烴類物質經改質后出現(xiàn)的氫氣為燃料的燃料動力電池汽車。

　　按電源系統(tǒng)的配置不同可分為：

　　1.燃料動力電池直接驅動型;2.燃料動力電池與蓄電池混合電源型;3.燃料動力電池與超級電容器混合電源型;4.燃料動力電池與蓄電池及超級電容多電源型。第一種由于效率較低，一般很少使用?，F(xiàn)在的主流燃料動力電池汽車一般均使用第2，3，4三種能量供應方式。本文下面將以HondaFCXClarity為例(采用燃料動力電池與輔助電池作為車輛能源)簡要介紹燃料電動汽車結構。

　　2007年，本田(Honda)公布了其旗下的首款市場化的氫氧燃料動力電池汽車-HondaFCXClarity,一款真正體現(xiàn)了綠色、節(jié)能與環(huán)保的汽車。2010年本田公布了其旗下的新一代FCXClarity，但考慮到昂貴的價格以及燃料供應的問題，F(xiàn)CX現(xiàn)在只在日本以及美國的少數(shù)地區(qū)租賃銷售。FCX在租賃期間，包括保養(yǎng)費及保險費在內的租金將是三年每月600美元。

　　2010年本田推出了新一代的FCXClarity,在燃料動力電池技術，以及整車的細節(jié)設計上都有了較大的改進。

　　FCXClarity采用氫氣作為車輛燃料動力電池的能源，從圖2-1可以看到，HondaFCX

　　Clarity可以通過加氫站向車輛添加燃料，具Honda官方數(shù)據(jù)，HondaFCXClarity在一次加滿燃料時，可以持續(xù)行駛570Km，最高時速更是達到了160Km/h?！?】遠非一般的電動汽車可比，普通的蓄電池電動汽車由于受制于電池本身結構的限制，存儲的能量有限，嚴重限制了電動汽車的續(xù)航里程，現(xiàn)在市售的典型純電動汽車，如2011年十月二十六日，在深圳正式上市的定名為e6先行者的比亞迪純電動汽車，售價達36.98萬，一次充滿電后最多僅可以一次行駛300多公里。最高時速也僅僅可以達到140Km/h.僅僅從技術指標來看，燃料動力電池汽車具有一般電動汽車無法比擬的優(yōu)勢。

　　(1)車輛概況

　　HondaFCXClarity動力系統(tǒng)結構重要由動力控制單元(PowerControlUnit)，燃料儲氣罐(HydrogenStorageTank)，電動機(ElectricMotor),燃料動力電池堆(FuelCellStack)，高功率的電池(High-OutputBattery)等五部分組成。

　　(2)小型輕量化燃料動力電池堆VFlowFCStack

　　HondaFCXClarity采用了Honda新開發(fā)的新一代的小型輕量化燃料動力電池堆VFlowFCStack，采用金屬沖壓隔片構造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的復雜結構，將所用的部件數(shù)量減少為原來的1/2，功率密度卻提高了兩倍以上，達到了世界一流的高性能水平【3】。同時，由于采用了新開發(fā)的芳香型電解質膜，大大提高了電池系統(tǒng)的可靠性與耐用度。Honda同時采用了Honda獨創(chuàng)的氫氣和空氣豎直流動的VFlow電池單元構造，并且采用使氫氣和空氣波狀流動的波狀隔板，和上一代產品相比相比，性能有了飛躍性提高，并實現(xiàn)了輕質化和小型化。新型燃料動力電池堆的最高功率提升至100kW，與上一代燃料動力電池堆相比，體積功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低溫啟動性能的提升使得燃料動力電池可以在零下30攝氏度的環(huán)境下正常工作。

　　全新的電池堆結構

　　HondaFCXClarity采用全新的氫氣與廢水呈垂直方向流動的電池堆結構，使得V型平臺電池堆的外形更加緊湊，相比傳統(tǒng)的水平放置的電池堆結構(氫氣與氧氣同廢水呈水平流動)，可以有效降低汽車的整體高度，有利于車輛的緊湊化與小型化。

　　2.VFlow單元結構

　　VFlow單元結構展現(xiàn)了Honda革命性的設計，它通過是氫氣與氧氣縱向流動，使得生成的水可以在重力的用途下穩(wěn)定而且順暢的排出，并由此可以防止生成的水停留在發(fā)電層面上，以確保發(fā)電的持續(xù)穩(wěn)定性。另外，縱向的氣體流動通道可以使得氫氣與氧氣的流通更加順暢，從而是流動通道深度減少17%，使電池的單元結構更薄,電池堆體積更小。

　　3.Wave通道隔離板

　　Honda創(chuàng)新設計的Wave隔板(圖2-7)使得氫氣與空氣的流動通道呈Wave型(波浪形狀)，冷卻介質則沿著橫向流動，采用Wave隔板設計氣體流動通道與以往采用直線通道設計的電池組相比，延長了近一米的長度【4】，而且可以改變氫氣與氧氣的流動方向，提高空氣與氫氣的擴散性。同時，冷卻介質的橫向布置可以擴大。

　　氫氣與空氣的通道，最終使得發(fā)電能力比以上一代的HondaFCXClarity提高了10%。另外，冷卻介質的橫向流動還保持了良好的冷卻效果，防止了以往電池單元之間所必須的冷卻層，大大減輕了電池的重量(可減輕近30%，積層長度縮短30%)【5】，達到了最佳的小型化效果。

　　(3)新型永磁電機

　　FCXClarity采用全新的功率達100kW的新型永磁同步電機(圖2-8)，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(xiàn)了輕質小型化和高功率的高度統(tǒng)一。此外，節(jié)能性提高20%，續(xù)航里程提高30%。

　　永磁電機結構特點

　　本田FCX所使用的電動機是一款永磁同步電動機，其與普通的電動機相比，永磁同步電動機裝有轉自永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進行控制，達到對永磁同步電動機驅動控制的目的。

　　永磁同步電機相比于其它電動機的優(yōu)勢則重要表現(xiàn)在因為永磁體取代了繞組，所以結構更加簡單且可靠;因為電機轉速與電源頻率保持同步關系，所以通過控制電源就可以控制電動機轉速。再加上體積小、質量小并且結構堅固等特點，以及相對而言較低的成本，使得永磁同步電機十分適合在電動汽車上應用。

　　同時，永磁電機由于永磁體無需電流勵磁，轉子沒有損耗，提高了電機效率;同時因取消了滑環(huán)和電刷，簡化了轉子結構，提高了電機的可靠性。但電機必須由變頻器供電加上轉子位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)才能運行。

　　當反電勢和供電電流的波形都是正弦波時，稱為永磁同步電動機(PMSM)，它與電勵磁同步電動機有相似的內部電磁關系。當反電勢和供電電流的波形都是矩形波時，稱為矩形波永磁同步電動機，其內部的電磁過程和直流電動機類似，因此又稱為無刷直流電動機(BLDC)。

　　(4)高性能鋰離子電池

　　HondaFCXClarity氫氧燃料動力電池汽車采用了一塊高性能的聚合物鋰離子電池作為汽車的輔助能源(工作電壓為288伏的鋰離子電池)。HondaFCXClarity采用了可插電的設計，可以允許在車輛不用時通過普通的家用電源對鋰離子電池進行充電。

　　HondaFCXClarity允許車輛在低速時只依靠鋰離子電池行駛，并且，可以通過剎車能量回收系統(tǒng)(可以將剎車時損失的部分動能轉變成為電能)為鋰離子電池進行再充電。同時，鋰離子電池還可以為車輛的車輛電子系統(tǒng)供應電力。

　　(5)燃料存儲裝置

　　HondaFCXClarity采用高壓氫氣作為車輛的燃料，由于要存儲大量的氫氣以滿足長距離行駛的燃料要求，HondaFCXClarity采用容積為171L的高壓氣罐作為燃料存儲裝置，高壓氣罐可以承受的最高壓力為350ATM，因此可以在有限的體積內存儲盡量多的氫氣。

　　綜上所述，一般的燃料動力電池汽車重要由電動機系統(tǒng)，燃料動力電池系統(tǒng)以及燃料存儲裝置和傳統(tǒng)的機械結構組成，其中燃料動力電池系統(tǒng)，燃料存儲系統(tǒng)以及電機系統(tǒng)是車輛的核心。電機用于為車輛供應動力，燃料動力電池可以為車輛供應動力，儲氣罐為燃料動力電池供應能源，蓄電池或者超級電容作為電動機與燃料動力電池之間的能量緩沖裝置，更加有利于提高車輛的能量利用效率。

　　毫無疑問，燃料動力電池汽車與傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車以及純電動汽車相比擁有很多優(yōu)勢。

　　1.清潔無污染。燃料動力電池汽車的運行過程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意義上的清潔汽車。

　　2.燃料補充方便，快捷，續(xù)航力遠超普通純電動汽車。純電動汽車充電時間較長，一次充電完成要7~8小時，而且充滿電后續(xù)航里程較短，常常不超過300km。而燃料動力電池汽車可以像傳統(tǒng)的汽油汽車相同方便的補充燃料，而且充滿燃料后一般的續(xù)航里程可達到400km以上，甚至超過了很多的傳統(tǒng)的使用汽油的車輛。

　　3.效能高。燃料動力電池汽車有極高的能源利用效率。由于燃料動力電池本事就是一種效率極高的能量生成裝置，加上車輛合理的設計(如再生制動系統(tǒng)的使用，輔助電池的應用)，使得燃料動力電池汽車具有極高的能源利用效率。

　　4.動力性能優(yōu)異。燃料動力電池可以持續(xù)穩(wěn)定的輸出電力，加上高性能電機的應用，使得燃料動力電池汽車具有最佳的動力性能。以奔馳B級緊湊型轎車F-Cell燃料動力電池型為例，其采用的同步電機最大輸出功率可達100千瓦，峰值扭矩可達290牛米。動力系統(tǒng)的性能遠超普通的2.0L自然吸氣式汽油發(fā)動機，并且擁有良好的燃油經濟性，其燃料消耗僅僅相當于每百公里耗油3.3升(價格上)。最高時速可達170公里/小時，僅比采用自然吸氣引擎的奔馳B200低了26公里/小時。

　　三.燃料動力電池汽車發(fā)展概況

　　日本經濟產業(yè)省前幾年就對燃料動力電池汽車開發(fā)與推廣制定了時間表，其戰(zhàn)略目標是：到2010年，日本使用的燃料動力電池汽車達到5萬輛;2020年達到500萬輛;到2030年，要全面普及燃料動力電池汽車。近期，日本又計劃在5年內斥資2090億日元開發(fā)以天然氣為原料的液體合成燃料技術、車用電池，以及氫燃料動力電池科技【7】。

　　2009年，美國政府正式宣布停止支持燃料動力電池電動汽車的研發(fā)。

　　2008年，歐盟決定斥資10億歐元用于燃料動力電池和氫能源的研究和發(fā)展。

　　我國政府大力支持燃料動力電池汽車以及純電動汽車的研發(fā)與市場推廣，2010年上海世博會期間，世博園區(qū)投入了196輛燃料動力電池公交車，取得了良好的運行效果。

　　(1)各大汽車廠商的參與

　　雖然各國政府對燃料動力電池汽車的熱情不盡相同，但是世界各大汽車廠商推入了巨大的熱情進行了燃料動力電池車輛方面的研究，有很多已經開發(fā)出了實用化的燃料動力電池汽車。其中，戴姆勒奔馳、福特汽車、通用汽車、本田、雷諾、日產和豐田汽車均已走在了世界的前列。

　　1.德國戴姆勒奔馳公司奔馳B級FCELL

　　奔馳B級F-CELL以奔馳B車為基礎，搭載氫燃料動力電池驅動系統(tǒng)，只需加注氫燃料，可以通過車內燃料動力電池裝置迅速將燃料轉化成電能，加滿氫燃料的過程僅需3分鐘。設計師把它的氫燃料罐和燃料動力電池設計成獨特的夾層結構，可以大大提高車輛的可用空間。該車一次加滿燃料的續(xù)航能力達400公里。

　　2.豐田MarkXZio氫燃料動力電池車

　　豐田汽車曾宣布與美國薩凡納河國家實驗室(SRNL：SavannahRiverNationalLaboratory)以及可再生能源實驗室(NREL：NationalRenewableEnergyLaboratory)共同執(zhí)行了燃料動力電池車HighlanderFCHV-adv的公路實驗。實驗結果表明，該車的續(xù)航距離可達到693km。該車充滿燃料可行駛780公里，燃料效率是傳統(tǒng)汽油車的3倍，它的最高時速可達160公里/小時，百公里加速為7秒。計劃將于2015年上市。

　　3.本田本田FCXClarity燃料動力電池車

　　最早商品化的燃料動力電池車FCXClarity。全新一代的燃料動力電池汽車FCXClarity以本田獨創(chuàng)的燃料動力電池堆VFlowFCStack技術為核心。同時外觀上實現(xiàn)了燃料動力電池車所特有的搶眼設計，劃時代的外觀線條。以及超凡的駕馭感覺。不僅實現(xiàn)了車輛清潔性，而且還賦予了燃料動力電池車獨特的新價值和新魅力。

　　4.馬自達氫燃料混合動力車馬自達RX-8HydrogenRE

　　馬自達一直在進行燃料動力電池開發(fā)計劃。近期，馬自達開發(fā)出以氫氣為燃料的內燃機，繞開高成本的燃料動力電池同樣實現(xiàn)零排放的最終目標。但是續(xù)駛里程過短和氫氣成本高的陰影仍然籠罩在氫發(fā)動機汽車之上。但是該型車通過氫燃料和汽油混用可行駛約600公里。

　　5.大眾帕薩特領馭氫燃料動力電池車

　　該車采用氫燃料動力電池發(fā)動機，能量轉換效率高達80%，是普通內燃機的3倍。

　　6.通用汽車凱迪拉克Provoq概念車

　　這款車搭載最新e-flex氫燃料動力電池驅動系統(tǒng)該車一次續(xù)航里程可達483公里，百公里加速僅為8.5秒。

　　(2)燃料動力電池汽車推廣存在的問題

　　燃料動力電池汽車雖然較傳統(tǒng)的汽油汽車，混合動力汽車以及純電動汽車有技術上的優(yōu)勢，但是卻一時難以普及，原因是多方面的。

　　1.燃料動力電池的成本過高。燃料動力電池的成本過高是制約燃料動力電池汽車發(fā)展的最大阻礙，早期由于燃料動力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科研人員的不懈努力，已經開發(fā)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(guī)模普及的程度。以奔馳B級燃料動力電池汽車為例，奔馳B級燃料動力電池汽車的售價為5萬美元，約33萬人民幣，而同時期的奔馳B級汽車的售價卻只有約22萬人民幣(以上均指美國售價)。燃料動力電池型號貴了近11萬人民幣。另外計劃于2015年上市的豐田MarkXZio燃料動力電池汽車售價預計為980萬日元(約80萬人民幣)。遠高于普通汽油汽車售價。高昂的成本成為制約燃料動力電池汽車發(fā)展的一大難題。

　　2.配套設施建設成本較大。目前最方便的加氫站建設方法就是在傳統(tǒng)加油站的基礎上進行改造。以美國為例，假如將全美的加油站全部改造成加氫站，將至少花費15億美元(約95億人民幣)，這筆錢并不算少。

　　3.氫氣制取存在困難?，F(xiàn)在仍然不能以較低成本的大量制取氫氣，現(xiàn)在重要通過煤炭與水的反應、天然氣重整以及電解水等方式生產氫氣。這些方法無一例外的存在成本較高的缺點。

　　四.結語

　　燃料動力電池汽車憑借其獨特的技術優(yōu)勢。在不久的將來極有可能替代傳統(tǒng)的內燃機車輛，混合動力汽車甚至是純電動汽車，成為我們日常生活必不可少的一部分。但從目前情況看，燃料動力電池汽車假如想要在產業(yè)化發(fā)展方面取得突破，還要著力解決輔助設施建設和成本過高這兩個方面的問題。首先，在輔助設施建設上還要加快燃料動力電池汽車所需的加氣站的建設。同時改善氫氣的制取工藝，設法降低氫氣的制取、運輸、存儲成本。另一方面方面。燃料動力電池極高的成本極大的限制了燃料動力電池汽車的發(fā)展與應用，能否降低燃料動力電池的生產成本將極大的影響燃料動力電池汽車及燃料動力電池技術的普及。但我相信在全世界各地科研人員的努力下，必將攻克燃料動力電池成本過高的技術難關。