[科普中国]-燃料电池车

燃料电池车是电动车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

简介燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄露带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。1

原理燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外 一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

相关问题燃料电池车辆需要解决的问题

对于纯燃料电池车或基于氢能源的其他类型车，如何合理控制制氢成本和建立社会网络化的储氢站是一个重要的问题

据了解，储氢技术基本上有三种，一是在超低温-253°将氢呈液态保存，二是用高压(约5000磅/平方英寸)压缩气态氢，提高能量密度，三是用金属氢化合物在普通常温下储存氢;具体来说，燃料电池电动车尚需攻克的解决的问题主要有：

(1)氢气燃料的供给

燃料电池电动车以燃料的氢气与空气的氧气反应，以其产生的电力推动马达而得以行驶。相较于传统电动车，燃料电池电动车的燃料电池可视为小型发电厂，且燃料电池电动车可以改善传统电池过重、电能容量及长时间充电的缺点，燃料电池发电可视为水电解的逆反应，发电过程中只有水份的排放，是清净的动力能源。而这些都依赖于氢能源的充足供给。

以国外的情形为例：日本经济产业省原来预估2010年底，燃料电池电动车可以达到5万台，2020年达到500万台的目标，目前看来似乎有些过热，各个车厂开始以较务实的态度对应这件事情。Toyota预定2003年燃料电池电动车商品化，且希望将价格订在日币1000万元以下才具产品竞争力。但短期内，燃料电池价格不易降至数百万日元内。同期从事研发工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等车厂都认为燃料电池电动车发展的难题是─氢气燃料的供给。特别是氢气供应站与氢气燃料的环境整备 (infrastructure)。燃料电池电动车可以纯氢气为燃料，抑或以碳氢系燃料如甲醇、天然气、汽油等经由重组取得富氢气燃料，其热值等性质虽各有所长，以储存性与管理而言，甲醇与高品质的汽油经由重组似乎较具优势。

(2)燃料重组

燃料重组，最大的问题在于重组过程中造成的高温现象，甲醇重组时温度约300℃，汽油重组时的温度则高达800℃(碳与氢分子键结强，不易打断)，已经在道路行驶测试(fleet test)的甲醇重组方式燃料电池电动车，因为高温而需要配置大型冷却风扇，产生令人不快的噪音问题，虽然静肃性 (如：马达运转等)仍较传统电动汽车优越，但燃料重组时大型冷却风扇噪音问题亦不得不重视。而且大型冷却风扇亦会造成能量消耗，燃料重组方式燃料电池电动车因兼顾能源效率与噪音问题，事实上、较Toyota 的Prius 的复合动力能源效率相异不大，看不出燃料电池电动车的显著优势。更何况燃料重组时并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重组并完成日本道路行驶测试的Mazda认为“唯有以纯氢气作为燃料的燃料电池电动车才具有挑战性!”甲醇与汽油重组衍生的各种问题，特别是高温，是燃料电池电动车普及化的一大障碍。另外，高效率的重组器开发亦刻不容缓。

(3)纯氢气燃料储存方式

纯氢气燃料，似乎是燃料电池电动车未来可能普及化的燃料供应方式，然而氢气的储存却是另一问题点。目前即使是气密性最佳的燃料容器，充气后长时间放置很可能即漏失完毕!

氢气燃料储存方式有高压储氢(compressed hydrogen gas)，可能引发安全上的顾虑，理论上较高的压力储氢量越多，但高压储氢材料容器的价格昂贵，尤其是燃料电池电动车，这种移动式载具必须考虑碰撞的安全性;低温储氢，要储存氢气燃料于 -273℃环境，其所需低温储存处理的能量消耗亦不容忽视，且应考虑前述漏失问题;较安全且可行的方案是储氢合金(metal hydride，储存效率仍有极大的改善空间。

(4)纯氢气燃料的制备

依照日本经济产业省预估2020年达到500万台的燃料电池电动车目标，相当于一年需要37亿5000mm3的氢气，这样的消耗量单靠天然气提炼氢气是不可能符合需求，况且在精制氢气时亦会衍生一定数量的CO2排放，与降低CO2排放诉求的燃料电池电动车互为矛盾，其实只是CO2排放只是改变为燃料电池电动车以外发生的场所罢了。

为了不增加制造纯氢气燃料时所带来的环境污染，以太阳能发电的电力对水产生电解制造纯氢气似乎可行。实际上，Honda 在美国加州的研发中心即利用太阳能发电制造纯氢气，并由供应站供给氢气进行相关实验，每辆车单以太阳能发电制造纯氢气即可获得一年约7600L，相当于每天20.8L氢气，以目前供给氢气1.0L行驶1.8km的实验车为例，每天可行驶37.4km，一年可累积里程13,680km，基本上可以满足普通行驶要求。不过、配置在每台燃料电池电动车上的太阳电池面积是车辆平面投影面积的4倍，太阳电池的能源利用效率与如何小型化又是另一个课题!

(5)燃料电池价格

目前燃料电池因需要使用一定量的贵重金属(主要是铂)，燃料电池厂预计短期内不易降至量产化价格。除了膜组合体中贵重金属如何降低使用量之外，开发耐高温(200℃)与耐不纯物的质子交换膜等都是当前重要的研究。2

发展前景燃料电池车渐被重视：

在EV逐步成为主流的时代，FCV被边缘化，但并没有被放弃，欧美日、甚至中国车企都一直在FCV研发上努力。现在EV遇到了瓶颈，FCV被寄予了更多的期待。

2013年一开年，全球汽车厂家间合作开发FCV(燃料电池汽车)的项目也骤然增多。1月24日，丰田与宝马宣布合作。丰田将于2015年发布FCV，而宝马将为其提供基础技术，丰田与大众宣布共同开发2020款车型的基础系统以及电池。1月28日，日产表示将与戴姆勒、福特合作开发FCV(燃料电池汽车)。戴姆勒将与福特共同开发FCV的心脏燃料电池。3家公司将在2017年分别发售FCV的量产车。如果这些合作开发富有成果，FCV将会在2、3年后开始在市场上销售。3

结构及主要系统燃料电池车除了使用燃料电池以外，还需要维持燃料电池发电性能的气体加湿装置、燃料电池的冷却装置、储存和供给氢气的装置以及供应空气的装置。另外，与混合动力车一样，为了提高效率燃料电池车大都采用减速能量再生装置。

高压氢气罐供给的氢气通过加湿器加湿，然后送达燃料电池。另一方面气泵供给的空气也经加湿器加湿后供给燃料电池。氢吸附合金罐丽函雨习碳索吸附材料化学氧化物罐固体品分子形燃料电池中的氧气发生反应，产生电能的同时将水排出车外。产生的电能通过输出控制装置供应给驱动电机的同时，一部分储存在电容器或蓄电池等蓄电装置中。

燃料电池冷卸装燃料电池发电时会产生热量，因此需要冷却装置对其进行冷却。一般采用与内燃机相同的冷却方法，即散热器和水泵等冷却系统。燃料电池的工作温度比内燃机的运转温度低，因此与外界气温的温差很小，无法像内燃机一样利用排气散热。因此需要比内燃机车更大的散热器。另外，阳极和阴极两端的隔板要用同一个冷却水路冷却，因此需要采取相应的绝缘措施。

燃料存储系统为了达到与发动机车辆同等的行驶里程，一辆燃料电池车需要搭载5kg的氢气。

直接搭载氢气有很多种方法，可以利用高压容器储存压缩氢气，或者用液体储氢罐储存液态氢，利用吸氢合金或炭素吸附材料进行吸附储存等。目前燃料电池车采用的大都是压缩氢气或者液态氢的方法。其他方法尚处于研究阶段。燃料电池车使用的容器有金属缸套包覆FRP(Fiber Reinforced Plastic)的3型和树脂套包覆FRP的4型。为了提高容器单位质量的储存能力，一般都在铝质或树脂缸套周围包覆炭纤维以提高耐压性，然后在最外层覆上玻璃纤维保护层。4

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学