1概述

隨著世界汽車工業的不斷發展壯大,汽車工業在世界經濟發展中的地位越來越突出,汽車工業已成為現代經濟支柱產業之一,并對世界經濟的發展和社會的進步出現巨大的用途和深遠的影響。

燃料動力電池發電是繼水力、火力和核能發電等之后的新一代發電技術。它是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變為電能的高效持續發電裝置。因這種裝置的基本原理是原電池反應而不涉及到燃燒,因此其能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制,理論效率可達90%,實際使用效率則是普通內燃機的2～3倍。另外,它還具有燃料多樣性、噪音低、對環境污染小、可靠性與維修性好等優點。燃料動力電池作為新一代汽車動力源,已被世界各大工業國視為戰略產品。

氫被稱為“21世紀的能源”,是今后世界、也是我國解決面對的能源危機的一條重要途徑。科學家和社會學家預言,下一次工業革命將從氫能源開始,現在全世界的科學家都在積極尋求一種既清潔又無污染的能源,氫是科學家們看好的最理想的燃料。隨著以氫為重要燃料的燃料動力電池技術和產品不斷發展,并逐步進入推廣和應用階段。世界各重要國家都已認識到氫燃料動力電池技術潛在的巨大市場,紛紛斥巨資進行技術開發,擴大應用領域,氫燃料動力電池技術將給人類社會的建設和發展帶來積極影響。

我國對發展燃料動力電池汽車產業高度重視,已出臺了一系列計劃和政策。科技部已將燃料動力電池汽車列入“十五”期間的“863”關鍵高科技攻關項目之一。研發燃料動力電池汽車,用高新技術改造傳統汽車工業,實現我國汽車工業的跨越發展,目前已面對著極佳的機遇。

2國內外研究現狀

2.1國外發展狀況

20世紀90年代以來,燃料動力電池技術在全球的開發活動異常活躍。以日本、美國和歐盟為代表的重要國家和地區,特別是豐田、寶馬、通用、本田、大眾等重要汽車廠商根據本國和公司的實際情況,先后采取了不同的新能源汽車技術發展策略,研發成功了多款新能源概念車型和應用車型,其中一些成熟的技術已經成功實現了產業化。

當前,世界20多個國家的1000多家公司和機構正投入巨資加緊進行燃料動力電池技術和產品的研究與商業化工作。截至2005年十二月,已有14500多個燃料動力電池系統安裝在世界各地,分布于不同的應用領域。圖1為《FuelCellToday》網絡雜志2005年底對全球燃料動力電池安裝數量所做的一個調查結果。圖2為2005年不同技術類型的燃料動力電池安裝數量比例餅圖。

日本在混合動力汽車方面技術最為先進;美國將新能源汽車研發重點放在氫能和燃料動力電池汽車,同時大力推動生物燃料汽車的產業化。美國加州已頒布的汽車排放法規要求在2003年加州出售的所有汽車中,零排放車的數量必須占到10%;歐洲在混合動力、純電動汽車、氫能和燃料動力電池汽車方面都有設計,在產業化領域也大力推廣生物燃料汽車;巴西在生物燃料汽車應用方面處于世界領先水平,是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽車應用國家之一;挪威和加拿大積極發展氫能源,提出了建設“氫高速公路”計劃,并已經取得了重要進展。

按現在的發展速度看,燃料動力電池電動汽車批量生產階段越來越近,本世紀可提前實現燃料動力電池汽車商業化。預計到2010年,燃料動力電池在價格上將具備與內燃機競爭的能力。屆時美國市場上以燃料動力電池為動力的機動車將占美國汽車市場4%的份額,日本和西歐燃料動力電池汽車將分別占市場份額的15%和17%。到2020年,燃料動力電池汽車將占世界汽車市場的25%。

2.2國內發展狀況

我國新能源汽車總體上起步較晚,與世界先進水平存在較大差距,但在部分領域也處于較為先進的水平。目前我國在混合動力、氫能和燃料動力電池汽車方面遠遠落后于世界先進水平,沒有在關鍵技術研發領域取得重要突破。在純電動汽車和二甲醚汽車方面,我國已經成功研發一系列轎車和客車產品,并進行了示范運行和產業化發展嘗試,步入了國際領先行列。

我國在產業政策制定方面起步也較晚,從2001年起,為維護我國能源安全,改善大氣環境,提高加入WTO后我國汽車工業的競爭力,經過多方論證和廣泛征求意見,我國科技部在“十五”國家863計劃中啟動了國家、地方和公司配套資金合計約16億元人民幣的電動汽車重大科技專項。盡管從目前來看我國產業政策的績效尚難以評估,但是與美國、歐盟和日本等發達國家的產業政策相比較,我國新能源汽車產業政策仍存在很大的改進空間。

3新能源汽車技術

隨著石油資源逐漸短缺,扭轉目前以石油為主的能源利用格局,實現能源多樣化成為未來汽車工業發展的趨勢。世界各國政府已清醒地認識到這一點,紛紛撥款用于技術開發,并制定了相應的產業計劃。各大汽車公司和相關公司、科研機構都加大了研發投入,加緊研究開發,并紛紛推出了一些具有先進技術的代表車型,其中涉及燃料動力電池電動汽車混合動力電動汽車以及其他生物能源汽車。尤其是自2004年年初,原油價格的一路狂飆使成品油價格隨之上漲,很多汽車行業專家紛紛表示,高油價正在為更環保、更省油的新能源汽車帶來一個千載難逢的發展契機,世界汽車工業有望從此加速擺脫對石油的依賴和對環境造成的嚴重污染,從而進入一個清潔能源時代。

3.1燃料動力電池汽車

燃料動力電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效(50%～80%)、環境友好地轉化為電能的發電裝置。燃料動力電池具有其他能量發生裝置不可比擬的優越性:能量轉換效率高;高可靠性;良好的環境效益。

燃料動力電池汽車所使用的燃料包括氫、甲醇、汽油和柴油。通用汽車公司已研制成功使用液氫燃料動力電池出現動力的零排放概念車“氫動一號”,該車加速快、操作靈活,從0～100km加速僅16秒,最高時速可達140km,續馳里程400km。空氣產品公司、普拉克斯公司作為領先的液氫供應商,其供氫站已經可為氫燃料動力電池汽車供應24～34Mpa的液氫。由于氫燃料動力電池具有零排放等其他燃料不具備的優點,目前研究的重點重要是氫燃料動力電池。

與傳統內燃機汽車和混合動力汽車相比,燃料動力電池汽車具有無污染、“零排放”、高能量效率、低噪音、良好的動力及操控系統等優點。

3.2混合動力汽車

經過10多年的發展,混合動力系統已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速箱一體化結構發展,即集成化混合動力總成系統。混合動力汽車是傳統內燃機汽車與電動汽車相結合的產物,它繼承了電動汽車低排放的優點,又發揮了石油燃料高的比能量和比功率的優點,顯著改善了傳統內燃機汽車的排放和燃油經濟性,新增了電動汽車的續駛里程,在由內燃機汽車向電動汽車的轉變過程中扮演著重要的角色。

電池是混合動力汽車的關鍵部件之一。目前HEV電池的主流產品是鎳氫電池,重要的生產廠商是日本三洋和松下公司,美國的生產廠商Eobasys,JohnsonControlSAFT等公司也先后加入到鎳氫電池的研發和銷售。鎳氫電池具有高能量、高功率、長壽命、較好的高低溫性能、比較容易進行串并聯組合等特點,目前大部分商業化的HEV基本都是采用鎳氫電池。鋰離子電池目前尚處于研究改進和使用階段,其重要優勢在于具有較高的比能量,可以使電池做得更小、更輕;具有較好的充放電效率和低的自放電率,可以提高電池的能量效率,具有較大的潛在降價空間。

3.3其他能源汽車

使用醇類作為能源的汽車重要是乙醇汽車,乙醇汽車使用的燃料是乙醇汽油。乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加工而成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配的替代能源。乙醇汽油可有效地改善油品的性能和質量,降低一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等重要污染物的排放,而且它對機動車的行駛性能也沒有影響。

戴姆勒克萊斯勒公司推出的NECAR5汽車堪稱是燃料動力電池技術的里程碑。這種燃料動力電池動力汽車在美國已完成了4831km行車試驗。NECAR5是戴姆勒-克萊斯勒公司開發的第5代燃料動力電池汽車,由Ballard燃料動力電池驅動系統帶動,該系統包括車載甲醇轉化器,轉化器從液體甲醇抽取氫氣驅動燃料動力電池。在穿越美國的行車試驗中,汽車每行駛48311km,用克萊斯勒分配器配給的甲醇補加一次燃料。

生物柴油是指利用植物油和動物脂肪等可再生的資源與甲醇的進行酷交換而形成的長鏈脂肪酸甲脂混合物,是一種可以部分替代石油柴油的新型液體燃料。目前使用的“清潔柴油”是生物柴油與普通(石油)柴油不同比例的混合燃料。生物柴油作為汽車燃料具有可再生性、環境友好性和優良的可替代性等突出優勢。