曹建國 廖然 楊利花

隨著社會的進步和人員移動性增強，全球汽車需求量快速增長，迄今世界上的汽車保有量達到創(chuàng)紀錄的10億輛以上且還在不斷大幅增長，使得基于傳統(tǒng)的內燃機（Internal Combustion Engine，ICE）汽車的輕量化與節(jié)能減排[1，2]等技術進步難以降低汽車燃料的消耗和減少污染物的排放。2020年之前溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放在1990年水平基礎上下降20%的任務日益艱巨。如果再不采取有效措施，公路交通運輸車輛的GHG溫室氣體排放將會持續(xù)不斷增長。

通過研討純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、或燃料電池電動汽車（Fuel Cell Vehicles，F(xiàn)CVs；Fuel Cell Electric Vehicles，F(xiàn)CEVs）等多種類型的電動汽車（Electric Vehicle，EV）技術[3-5]有望明確實現(xiàn)節(jié)能減排的理想途徑。自1966年通用汽車推出了世界上第1款燃料電池電動汽車GMC Electrovan，尤其是本田在1999年推出了世界上第1臺商用的燃料電池電動汽車FCX-V4以來，世界上EV電動汽車型號不斷豐富和租賃銷售量明顯增長，亞太、北美和歐洲成長為全球EV電動汽車重要的新車研發(fā)制造和租賃銷售市場，2014年全世界的EV電動汽車銷售量達到34.6萬輛以上，年增長率達到86%。

燃料電池是一種高效、清潔的電化學發(fā)電裝置，近年來得到國內外高度重視，成為最被看好的可用于替代汽油和柴油等傳統(tǒng)的ICE內燃機發(fā)動機技術的先進新能源汽車技術。日本政府希望其到2020年的FCVs燃料電池汽車銷量達到500萬輛，再通過10年的研發(fā)推廣實現(xiàn)全面普及FCVs燃料電池汽車。美國政府在2003年投入12億美元大力推進氫技術和燃料電池技術，其中重要項目之一就是美國能源部（Department of Energy，DOE）在北加州、南加州、密歇根州東南部、大西洋區(qū)中部和佛羅里達州中部等5個區(qū)域開展的氫技術和基礎實施驗證與示范綜合工程，吸引了Hyundai-Kia/ Chevron、DaimlerChrysler/BP、Ford/ BP和GM/Shell等多家汽車制造/能源供應商參與。

美國能源部大力推進氫經(jīng)濟和燃料電池技術，尤其是商業(yè)化推廣應用方面取得顯著進展，比如目前高容量和低容量燃料電池制造成本分別為55美元/kW和280美元/kW[6]，汽車燃料電池2014年的制造成本自2006年下降50%并自2008年以來進一步下降30%以上（基于高容量電池制造），這必將帶動創(chuàng)造工作崗位、投資機會和可持續(xù)、安全的能源供應。為了在2020年前爭取把歐盟建立成一個具有全球領先水平的燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）系統(tǒng)和氫能源（Hydrogen Energy，HE）經(jīng)濟的巨大市場，歐盟高度重視燃料電池技術和氫能源技術并把之視作能源領域的戰(zhàn)略高新技術大力推進。中國政府高度重視FC燃料電池和FCVs燃料電池電動汽車技術，作為國家“863”重大科技項目予以重點研發(fā)，北京公交示范、北京奧運會和上海世博會示范運行了我國自主研發(fā)的燃料電池客車與轎車。目前通常認為，F(xiàn)CVs燃料電池電動汽車技術可顯著減少GHG溫室氣體排放，成為新一代汽車的主要發(fā)展方向。

一、電動汽車發(fā)展趨勢

現(xiàn)代電動汽車一般可分為3類：BEV純電動汽車、HEV混合動力汽車、FCVs或FCEVs燃料電池電動汽車。近年來在常見的HEV混合動力汽車基礎上，又派生出一種插電式混合動力電動汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）。

法國人Gustave Trouvé于1881年11月巴黎國際電氣博覽會上推出第1款BEV純電動汽車，采用的是鉛酸電池供電的的直流電動機驅動的三輪電動汽車，較低的行駛速度（15km/h）和較短的續(xù)駛里程（16km）的早期EV電動汽車難以激發(fā)潛在的用戶。在發(fā)展至今的100多年歷史中，目前僅只有主要汽車制造商生產的幾款BEV純電動汽車?？墒牵瑤缀跛袕S商均擬在近年發(fā)布新款BEV純電動汽車。雖然早在20世紀90年代就有多款BEV純電動汽車，但是由于高昂的售價和有限的續(xù)航里程等制約因素所致均未能量產商用。目前發(fā)布的BEV純電動汽車款式主要有：美國通用汽車公司Chevrolet Volt、美國福特公司Focus Electric、日本三菱汽車公司Mitsubishi i-MiEV、日本尼桑公司的Nissan Leaf、德國戴姆勒集團的Smart Fortwo electric drive（or Smart ED）、美國特斯拉公司的Tesla Roadster全球首款量產版電動敞篷跑車和中國比亞迪汽車BYD e6等。國內外代表性BEV純電動汽車性能參數(shù)見表1。

BEV純電動汽車具有減少GHG溫室氣體排放和降低燃油成本等優(yōu)勢而被用戶接受，但其性價比一直遠低于傳統(tǒng)的ICE內燃機汽車。即使隨著高性能鋰離子電池的研發(fā)和性價比不斷提升，預計未來5～10年內市場上可能會出現(xiàn)最高車速≥100km/h、續(xù)駛里程≥250km的高性能純電動汽車，從現(xiàn)在開始的未來10年，BEV純電動汽車占全美汽車銷量仍將不到1%。

早期的混合動力電動汽車的制造是為了輔助那時功率偏小的ICE內燃機汽車，或是為了增進EV電動汽車的續(xù)駛里程，即使是這樣仍難以與汽油發(fā)動機已獲重大改進的ICE內燃機汽車相競爭。隨著燃料油的消耗不可持續(xù)和節(jié)能減排任務日益迫切，HEV混合動力汽車成為各大汽車制造商研發(fā)的重點之一和目前制造銷售最多的EV電動汽車。混合動力電動汽車是指至少采用2種不同類型的動力源的電動汽車，目前通常指綜合運用ICE內燃機和電池電動機（有時還采用一個以上電池電動機）的電動汽車。日本豐田公司的“先驅者”（Prius）混合動力汽車和本田公司的Insight與Civic混合動力電動轎車是最具代表性的成果，前者早在1997年率先向日本、美國和歐洲等各國市場推出并獲得較大成功。和傳動汽車相比，HEV混合動力汽車在大大降低排放水平條件下，燃油效率可顯著提高2～3倍。近年來派生出的常用PHEV可進一步減少燃油的使用并顯著增加單純依靠電池驅動的行駛時間，受到各國政府、汽車企業(yè)和研究機構的普遍關注。PHEV特別適合于工作日正常上、下班和行駛里程在50～90km之間的車主使用，隨著技術進步和性價比不斷提高，PHEV有望在未來10年內的北美、亞太和歐洲地區(qū)等全球主要電動汽車市場得到大面積推廣使用。

FCVs燃料電池電動汽車是BEV純電動汽車和HEV混合動力汽車多年研究和開發(fā)推廣的結果，目前更多地還停留在概念車測試和集成汽車系統(tǒng)展示上。英國科學家格羅孚（William Robert Grove）早在1839年就提出了氫和氧反應發(fā)電的原理，常被稱為燃料電池之父。直到50年后才由Charles Langer和Ludwig Mond創(chuàng)造了“燃料電池”術語，并利用空氣和煤氣力圖設計制作了第一個實用的燃料電池。20世紀60年代，美國UTC公司研發(fā)出了液氫和液氧發(fā)電的燃料電池，首先用于航天和軍事用途。根據(jù)燃料電池電解質的類型，燃料電池主要分為質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池和直接甲醇燃料電池等6種類型。近20年來，由于多次石油危機和大氣污染日趨嚴重，降低汽車燃料油的消耗和減少污染物的排放成為日益迫切的艱巨要求，以質子交換模式為代表的燃料電池技術，受到世界各國普遍重視。圖1為質子交換膜型燃料電池（proton-exchange-membrane fuel cells，PEMFC）工作原理示意圖。FCVs燃料電池電動汽車具有安靜、高效和零污染（或低污染）排放的特點，同時續(xù)駛里程完全可以和ICE內燃機汽車相媲美，從能源的利用和環(huán)境保護方面來看，燃料電池汽車是一種理想的車輛，具有結束ICE內燃機汽車百年統(tǒng)治地位的潛力。

二、燃料電池電動汽車市場現(xiàn)狀

許多大型汽車制造商都推出了FVCs燃料電池電動汽車，迄今為止，為了開展測試和展示目的大部分公司已經(jīng)推出極少量FVCs燃料電池電動汽車。

通用汽車早在1966年推出了世界上第1款燃料電池電動汽車GMC Electrovan，為2人座廂式貨車，測試輸出功率為32kW，峰值輸出功率為160kW，最高時速為113km/h，續(xù)航距離為193km，因成本高昂和當時氫基礎設施匱乏未持續(xù)開發(fā)。本田早在1999年推出了世界上第1臺商用的燃料電池電動汽車FCX-V4，并于2002年12月在日本和美國商用生產；隨后于2007年11月推出新一代燃料電池車FCX Clarity（見圖2a），該車采用“V Flow FC Stack”燃料電池堆核心技術實現(xiàn)了超級的清潔性。本田早在2008年夏天本田將每輛價值上百萬美元的少量FCX Clarity燃料電池車向美國加州、日本和歐洲市場低價租賃，隨后推出了2009款本田FCX Clarity燃料電池車，該車依然存在燃料電池電動汽車制造和使用成本高昂的問題。豐田汽車與美國SRNL薩凡納河國家實驗室以及NREL可再生能源國家實驗室共同實施了燃料電池車“Highlander FCHV-adv”的公路實驗，2009年在美國南加州一天的上路測試實驗結果表明，其FCVs燃料電池電動汽車的平均續(xù)航距離達到693km。2014年底，豐田首款燃料電池量產車“未來（Mirai）”（見圖2b）在日本上市，為4人座轎車，長寬高分別為4 870mm、1 810mm、1535mm，軸距為2 780mm。與傳統(tǒng)汽車相比，“未來（Mirai）”更加節(jié)能環(huán)保。該車一次加注氫燃料僅需3min，配備了2個70MPa的高壓燃料堆，輸出功率為100kW，零到百公里加速時間為10s左右，續(xù)航里程達到480km。據(jù)了解，該車售價日本國內為700萬日元（約合人民幣40萬元或6.86萬美元）。日本政府會對每輛汽車補貼202萬日元。豐田計劃到上市滿1年的2015年底前實現(xiàn)約400輛的銷量目標。此外還計劃銷往美國和歐洲。在中國市場，其混合動力車型也開始進入發(fā)力階段。按照計劃，豐田將在今年國產2款卡羅拉和雷凌的混合動力車型。德國戴姆勒—奔馳公司早在2002年推出了Mercedes–Benz A-級車為原型的FVCs燃料電池電動汽車最高時速為132km/h；2005年以現(xiàn)有的Mercedes–Benz B-級為原型的FVCs燃料電池電動汽車奔馳B級F—Cell（見圖2c），從2009年底開始少量生產，2010年投入歐洲及美國市場。該車外觀保留了奔馳B級原形車的樣子，是一款豪華的燃料電池電動運動休旅車。該車搭載氫燃料電池驅動系統(tǒng)，加滿氫燃料的過程僅需3min，續(xù)航能力達400km，百公里耗能相當于3.3L汽油。它的最大功率為136馬力，最高時速為170km/h。福特公司早在2005年推出了Chevrolet Equinox（見圖2d）并于2007年進行了升級，該車加滿燃料的續(xù)航能力為320km，并于2007-2008年在美國紐約、華盛頓特區(qū)和洛杉磯投入115輛商用，3 400名司機行駛里程達到80萬km，隨后推出的Focus FCV最高時速為128km/h，并在美國、德國和加拿大的多個城市交付使用。

2010年，包括上汽、奇瑞等國內汽車企業(yè)共有196輛燃料電池汽車在上海世博園區(qū)進行示范運行。本田和豐田近期分別在洛杉磯車展和東京車展上展示了2015年量產的燃料電池汽車概念車型，現(xiàn)代汽車預計在美國推出途勝（Tucson）燃料電池汽車。豐田和現(xiàn)代汽車2015年推出的商用燃料電池電功汽車參數(shù)明細見表2。與此同時，美國、德國、英國、日本和韓國不斷通過努力試圖實現(xiàn)自己的氫基礎設施發(fā)展藍圖，如2013年10月，美國加州通過立法承諾到2024年將建設100座加氫站，美國能源部啟動的H2USA項目吸引了眾多汽車制造商和經(jīng)銷商等參與，以共同克服建立氫基礎設施的障礙，促進FCVs燃料電池汽車的商用量產、商業(yè)推廣和日常普及。

為了更好發(fā)展推廣新能源汽車和擴大燃料電池車市場，豐田汽車在近日的美國消費電子展上宣布，該公司將開放5 600余項汽車氫燃料電池專利使用權，其中約1 970項涉及燃料電池堆技術，290項涉及高壓氫罐技術，3 350項燃油系統(tǒng)軟件技術專利以及70項氫氣生成和供應技術。豐田在其官方聲明中表示，制造和銷售燃料電池車的制造商、燃料電池零部件供應商以及建設及運營加氫站的能源公司均可免費使用其燃料電池專利，使用期限將持續(xù)到2020年。豐田美國高級副總裁Bob Carter表示，“我們認為未來100年中燃料電池將會成為主流技術，讓更多的（汽車制造商）和供應商發(fā)展這項技術，將會加快市場對這項技術的接受過程?！?/p>

三、燃料電池電動汽車發(fā)展前景

氫燃料電池具有可再生性，且單純從汽油到氫燃料電池的轉換就可將溫室氣體排放降低46.5%。氫燃料電池汽車的安全性持續(xù)提高，目前的加油站也可以很容易地轉變?yōu)闅淙剂想姵丶恿险?。電解的可再生性使得氫燃料電池相比于終將耗盡的天然氣資源和充電成本較高的混合動力汽車而言具有可持續(xù)性，并可節(jié)約大量的非再生能源，將使氫燃料電池汽車成為未來的終極環(huán)保汽車。從長遠的經(jīng)濟效益、環(huán)保等角度考慮，氫燃料電池將成為未來15年主要的代用燃料。圖3是氫燃料電池未來15年預測銷量，可以看到，如果現(xiàn)在投資建設，尤其對亞洲、非洲、北美等能源短缺的國家而言，未來氫燃料電池汽車的需求和銷量將大幅增加。按國際能源署預測，2030年氫燃料電池汽車在世界汽車銷量中的比重有望明顯提升，占比約為2%～3%。在可以預見的2030-2050年，將總體保持PHEV插電式汽車、BEV純電動汽車、FCVs氫燃料電池汽車發(fā)展順序和市場大格局不變，但氫燃料電池汽車占比將進一步提高，占比達到15%左右。

氫燃料電池對國家經(jīng)濟有積極的影響。以美國為例，據(jù)南卡羅萊納州氫能源網(wǎng)站報道，美國氫能源市場有望在2020年提供超過100萬個工作崗位以改進和制造新型氫燃料電池汽車。氫燃料電池也為股東們提供了投資機會以獲得更多的效益，有助于國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。盡管制造氫燃料電池汽車的短期成本較高，但從長遠來看，一旦批量生產，其價格將下降至今天燃油汽車的正常價格，而且可以節(jié)約使用者的費用。相比天然氣能源汽車和混合動力汽車，氫燃料電池汽車因能源可再生性而具有更低的成本。因此，氫燃料電池汽車有望成為未來最經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的代用燃料汽車。圖4預測了氫燃料電池過去和將來工程應用的經(jīng)濟性，可以看到，氫燃料電池的成本將逐漸降低，最終達到30美元/kW[6]。

國際上燃料電池電動汽車的主要發(fā)展見圖5。自從1839年發(fā)明燃料電池以來，其已被廣泛用于航天器、潛艇、發(fā)電廠等領域[7]。在以Dr.Craig Marks為領導的團隊經(jīng)過2年的努力后，通用汽車公司（GM）在1966年生產出第1輛燃料電池汽車，其應用32個燃料電池模塊可達到持續(xù)輸出功率32～160kW，所用燃料為純液氫和液氧。幾乎在30年后，Daimler-Benz公司于1994年推出了應用壓縮氫燃料的NECAR-1汽車，Ballard公司為其生產了50kW的PWM燃料電池，從而使其成為主要的PEM燃料電池生產商之一。2年后的1996年，Daimler- Benz公司又推出配有燃料電池系統(tǒng)的NECAR-2汽車，其質量僅為PEM燃料電池的1/3。1996-1999年，豐田汽車公司（Toyota）、GM、馬自達汽車有限公司（Mazda）、福特汽車公司（Ford）、本田技研工業(yè)股份有限公司（Honda）、日產汽車公司（Nissan）、大眾汽車公司（Volkswagen）等幾大主要汽車制造商也提出了燃料電池汽車項目，計劃在2003-2004年將其商業(yè)化，但最終都未實現(xiàn)。2002年，Toyota首先在美國和日本啟動了燃料電池混合動力汽車FCHV的世界有限租賃。低速時，F(xiàn)CHV單純靠蓄電池提供能源，高速時，燃料電池和蓄電池共同提供能源。2003年，布什政府投入12億以推動燃料電池技術的發(fā)展。美國能源部投資17億美元實施HyundaiKia/Chevron，DaimlerChrysler/BP， Ford/BP，and GM/Shell四家公司參與的“Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructure Validation and Demonstration Project”（控制氫艦隊和基礎設施驗證和示范項目），在2009年實現(xiàn)了250英里，燃料電池耐用2 000h的目標。2015年Toyota和Hyundai推出他們第一批商業(yè)化的燃料電池汽車。2013年，F(xiàn)ord、Nissan和Daimler簽署協(xié)議聯(lián)合開發(fā)燃料電池汽車并計劃于2017年實現(xiàn)商業(yè)化。GM和Honda合作也計劃于2020年將燃料電池汽車投入市場[8]。

燃料電池電動汽車的商用量產普及還需要破解整車集成與輕量化，高性能燃料電池、制造與使用的低成本與安全性，氫的生成、儲存和配置，甚至霧霾等嚴重的空氣污染對電催化劑和燃料電池發(fā)電性能的影響等問題，燃料電池電動車進人市場仍然需要經(jīng)歷相當長的過程。值得指出的是，F(xiàn)C燃料電池是人類迄今為止發(fā)明的最清潔、安靜又可無限再生的能源，尤其是在世界性能源危機出現(xiàn)和節(jié)能減排任務日益迫切的情況下，國內外普遍高度重視并持續(xù)推進實現(xiàn)燃料電池電動汽車的產業(yè)化，為將實現(xiàn)更加美好的人類生活作出貢獻。

參考文獻

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[2] 范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學報，2014，5（1）：1-16.

[3] Ronald M.Dell，Patrick T.Moseley，David A.J.Rand.Towards Sustainable Road Transport[M].Academic Press.2014.

[4] Michael Ball，Martin Wietschel.The hydrogen economy：opportunities and challenges[M].Oxford：Cambridge University Press，2010.

[5] D.A.J.Rand，R.M.Dell，Julian C.R.Hunt.Hydrogen Energy：Challenges and Prospects[M].Royal Society of Chemistry，2007.

[6] The Office of Energy Efficiency and Renewable Energy （EERE） of The U.S.Department of Energy. Progress and Accomplishments in Hydrogen and Fuel Cells[EB/OL].http：//energy.gov/eere/fuelcells/downloads/progress-andaccomplishments-hydrogen-and-fuel-cells.

[7] 衣寶廉.燃料電池——原理.技術.應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[8] Ian Whiten，Shayne McCann.Hydrogen fuel cells：the alternative fuel of the future[J].Composites Part A：Applied Science and Man ufacturing，2011，42（11）：1694-1709.