自從1993年質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用第一次由美國(guó)新一代車輛計(jì)劃（PNGV the New Generation of Vehicles program）提出以來，用了10年以上時(shí)間達(dá)到了現(xiàn)在的測(cè)試階段和部分商業(yè)化階段。2005年在摩納哥，由通用、現(xiàn)代、戴姆勒·克萊斯勒等推出的5款燃料電池汽車進(jìn)行了穿過瑞士的拉力賽，行程大約為410km，行程時(shí)間約為6h。拉力賽最終取得了完美的成功，展示了目前質(zhì)子交換膜燃料電池在燃料電池汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。 燃料電池是一種將氫燃料和氧化劑之間的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。由于其具有效率高、污染小、建廠時(shí)間短、可靠性高及維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是一種繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，它除具有一般燃料電池的優(yōu)點(diǎn)外,還有以下自身特點(diǎn)： 一、效率高，因不受“卡諾循環(huán)”的限制,其能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%～80%，實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。 二、無污染。 三、噪音低，因無大型旋轉(zhuǎn)部件，因此噪音極小。 四、壽命長(zhǎng)。 五、燃料具有多樣性。甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、含氫廢氣、純氫、輕油和柴油均可。 六、室溫下工作，工作溫度60～80℃。 七、啟動(dòng)十分迅速。 八、比功率大。 九、輸出功率可隨時(shí)調(diào)整。 十、可用空氣作氧化劑，而不需純氧。 所以PEMFC在固定電站、交通運(yùn)輸、軍用特種電源及可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是交通運(yùn)輸?shù)淖罴羊?qū)動(dòng)電源。 盡管PEMFC具有很好的前景，但欲使其取代各種傳統(tǒng)能源系統(tǒng)還存在很多問題，此外，許多燃料電池公司為了自身利益對(duì)他們積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)都已經(jīng)實(shí)行專利保護(hù)，由于世界正面臨能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，分享這些技術(shù)的信息和數(shù)據(jù)對(duì)于PEMFC盡快全面商業(yè)化是非常必要的。 ●國(guó)外PEMFC汽車的應(yīng)用現(xiàn)狀 在PEMFC的諸多應(yīng)用中，運(yùn)輸工具是最有競(jìng)爭(zhēng)力、前景最被看好的應(yīng)用領(lǐng)域，另外，對(duì)于開發(fā)環(huán)保型汽車，我們可以看到燃料電池汽車（FECEV）是最有潛力的。根據(jù)各個(gè)國(guó)家的社會(huì)和工業(yè)環(huán)境以及能源供給和需求的不同，每個(gè)國(guó)家質(zhì)子交換膜燃料電池在電動(dòng)車的發(fā)展方向是不同的，美國(guó)和日本的研究主要集中在燃料電池轎車方向、歐洲主要研究燃料電池公共汽車和火車，在中國(guó)燃料電池腳踏車和輕型燃料電池轎車有很大前景。表1列出了近年來國(guó)際上開展燃料電池汽車示范研究的基本情況。 目前以及將來的FECEV用的PEMFC的技術(shù)參數(shù)是由巴拉德于2005年5月公布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來說明的，它提出了汽車用質(zhì)子交換膜電池堆技術(shù)商業(yè)化最主要的4個(gè)方面的趨勢(shì)和目標(biāo)，這包括：耐久性、成本、冷起動(dòng)和單位體積功率密度，其主要目標(biāo)如下： 一、2010年壽命為5000h，巴拉德已經(jīng)在模擬測(cè)試中成功實(shí)現(xiàn)了耐久性超過了2200h。 二、堆成本為$30/kW。 三、最低冷起動(dòng)溫度為-30℃，在30s達(dá)到額定功率的50％。 四、單位體積的功率密度為2500W/L。 將燃料電池裝在汽車上時(shí)，可考慮單獨(dú)使用燃料電池的方式和燃料電池與蓄電池等輔助充、放電裝置組合的混合方式。單獨(dú)使用燃料電池方式，由于電源為單個(gè)系統(tǒng)，很簡(jiǎn)單，但是，不可能回收及重新利用再生能量。此外，尤其是從結(jié)冰溫度開始的啟動(dòng)性能以及采用改性方式時(shí)的負(fù)載響應(yīng)性能都存在問題?；旌戏绞絼t可以利用再生能量，因此其特點(diǎn)是能夠建造高效率系統(tǒng)。另外，汽車在啟動(dòng)及緊急時(shí)可由輔助充、放電裝置供電，所以從安全性和可靠性方面來看，這是一種優(yōu)異的方式，不過其系統(tǒng)自然會(huì)復(fù)雜些。 ·燃料電池公共汽車 在2003年，F(xiàn)olkesson et al.通過歐洲清潔城市運(yùn)輸計(jì)劃（CUTE：the Clean Urban Transport for Europe project）完成了混合燃料電池城市公共汽車的評(píng)估，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并建立混合燃料電池公共汽車示范車，它由歐洲無核能源（Joule）規(guī)劃和一些企業(yè)及院校聯(lián)合提供資金支持。燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大輸出功率為50kW，燃料為壓縮氫氣和環(huán)境壓縮空氣為氧化劑，DC/DC變換器將燃料電池輸出電壓調(diào)整為公共汽車的電壓（600V），公共汽車長(zhǎng)9.2m、寬2.5m、高3.2m，有15座位并有可站37個(gè)乘客的空間，動(dòng)力系統(tǒng)放在汽車的后部。 各個(gè)系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)、蓄電池、車輪電動(dòng)機(jī)和一些輔助設(shè)備可以很容易地從車上取出，這樣簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的維修和其他工作，燃料電池系統(tǒng)的核心是含2個(gè)PEMFC堆棧的堆塊，每個(gè)堆棧有105片單電池，堆棧的裝配結(jié)構(gòu)是金屬化的，它的尺寸為高58cm、寬42cm、長(zhǎng)57cm，總體積為139L，系統(tǒng)的功率密度為0.2kW/L。 燃料電池（FC）在西班牙北部道路進(jìn)行性能測(cè)試，所有的測(cè)試在帶負(fù)載總重為12500+25kg的公共汽車上完成的。其結(jié)果是在測(cè)試循環(huán)中平均功率消耗為17～24kW，這個(gè)特性意味著額定輸出功率約為35～50kW的燃料電池系統(tǒng)可足夠用于全長(zhǎng)為12m的混合燃料電池公共汽車，即使安裝了20～25kW的空調(diào)系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)的凈效率約為40%，且其燃料消耗量比標(biāo)準(zhǔn)Scania內(nèi)燃機(jī)公共汽車要低42%～48%。 另外，汽車的其他系統(tǒng)如用于開門、懸架、制動(dòng)、液力轉(zhuǎn)向器，水泵、冷卻風(fēng)扇大約消耗輸入燃料能量的7%或燃料電池系統(tǒng)凈輸出能量的17%。 ·燃料電池電動(dòng)腳踏車和輕型車輛 利用質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動(dòng)的腳踏車可極大地減輕城市污染。如果質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)摩托車能替代20%的兩缸摩托車，就可使CO、HC和NOx的排放量分別減少6%、11%和12%。與電動(dòng)汽車相比，電動(dòng)摩托車更商業(yè)化。1999年，加拿大巴拉德公司與日本雅馬哈摩托車公司簽署了25萬美元的合同，為其提供摩托車用質(zhì)子交換膜燃料電池。 2004年，Hwang et al發(fā)布了PEMFC電動(dòng)腳踏車示范車的測(cè)試結(jié)果，研究腳踏車的動(dòng)機(jī)是在中國(guó)每日上下班普遍是騎助力腳踏車。燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆棧、金屬氫化物容器、空氣泵、電磁閥門、冷卻風(fēng)扇、壓力和溫度傳感器和微處理器組成。電堆由40片單電池組成，其額定功率和峰值（最大）功率分別為303W（0.7V）和378W（0.66V）。電堆不僅驅(qū)動(dòng)腳踏車的電動(dòng)馬達(dá)還為其他子系統(tǒng)提供能量。助力腳踏車可采用滾動(dòng)式臺(tái)架測(cè)試和道路測(cè)試，在滾動(dòng)式臺(tái)架測(cè)試中，最高車速約為25.2km/h，電堆的溫度在30.0～31.9℃之間，燃料電池系統(tǒng)的效率可達(dá)到35%，這明顯高于內(nèi)燃機(jī)式腳踏車，6.8g氫氣的行駛距離為9.18km，這意味著電動(dòng)車的距離燃料比為1.35km/g。在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，他們開始研發(fā)兩座位的輕型燃料電池車，盡管完成了成功的示范車，但還沒能解決經(jīng)濟(jì)和一些技術(shù)問題。 2005年，這個(gè)工作組也發(fā)布了5kW PEMFC輕型車輛的成果，這個(gè)示范車是在前期技術(shù)工作的基礎(chǔ)上完成的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)也類似于前一示范車。車速保持在約18km/h且在1h測(cè)試中無任何故障，這有非常好的穩(wěn)定性和可靠性，然而還需要對(duì)加速性、加速度、燃料效率和與蓄電池的混合等一些性能做進(jìn)一步研究。 ●國(guó)內(nèi)燃料電池電動(dòng)汽車開發(fā)情況 ·發(fā)展概況 國(guó)內(nèi)燃料電池的研發(fā)起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而發(fā)展很慢，直到20世紀(jì)90年代才開始加快發(fā)展。目前燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)很好，已具有從過去單電堆研究發(fā)展到帶有支持系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)能力。國(guó)內(nèi)燃料電池汽車領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，其中首臺(tái)50kW燃料電池城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研制成功，首臺(tái)四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池轎車也在2002年12月初舉行的上海工業(yè)博覽會(huì)上亮相，但距真正的實(shí)際運(yùn)用還有距離。在國(guó)家“十五”863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)中，清華大學(xué)和北京客車總廠合作承擔(dān)研究燃料電池客車計(jì)劃，上海汽車工業(yè)集團(tuán)公司、同濟(jì)大學(xué)、信息部電機(jī)研究所、上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)公司承擔(dān)了燃料電池轎車的研發(fā)任務(wù)。 ·國(guó)內(nèi)主要研發(fā)單位研發(fā)成果 一、上海燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)公司與同濟(jì)大學(xué)等單位合作開發(fā)出“超越一號(hào)”燃料電池混合動(dòng)力轎車，2003年通過了國(guó)家科技部的測(cè)試；2006年底，第二代將開發(fā)完成，其各項(xiàng)性能指標(biāo)將直逼世界先進(jìn)水平。該車采用燃料電池與蓄電池的“電電混合”電源，壓縮氫氣為燃料，最高時(shí)速每小時(shí)110km，可連續(xù)行駛210km。“超越一號(hào)”采用了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池動(dòng)力平臺(tái)，車身為桑塔納2000型，方向盤、儀表盤等設(shè)備，從樣式到操作，都與傳統(tǒng)汽車相似，空調(diào)、轉(zhuǎn)向助力、制動(dòng)助力三大輔助系統(tǒng)全部采用電力驅(qū)動(dòng)。該電助力系統(tǒng)如裝到傳統(tǒng)汽車上，每行駛1000m可節(jié)省汽油0.5～0.7L。在燃料電池汽車領(lǐng)域，“超越一號(hào)”大大縮短了我國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距。 二、上海通用汽車公司與上海泛亞汽車技術(shù)中心共同開發(fā)出串聯(lián)型燃料電池與蓄電池驅(qū)動(dòng)的鳳凰燃料電池輕型客車。車身以上海通用汽車生產(chǎn)的別克GL8公務(wù)用車為原型，由通用汽車提供燃料電池組、零部件和技術(shù)支持，泛亞汽車技術(shù)中心負(fù)責(zé)整車系統(tǒng)集成。該車以壓縮氫氣為燃料，采用35kW質(zhì)子膜型燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，配置冷暖式熱泵、電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向助力裝置及電動(dòng)制動(dòng)真空泵，共裝備有15個(gè)控制器、88個(gè)傳感器，有效地協(xié)調(diào)了整車運(yùn)行、乘坐、安全、娛樂等功能。主要技術(shù)參數(shù)：乘客8人，動(dòng)力性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車水平，0～100km加速時(shí)間14s，最高車速l13km/h，最大驅(qū)動(dòng)功率104kW。 三、東風(fēng)電動(dòng)車輛股份公司與中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所及中科院電工所合作，于2001年初研制出EQ6700FCV型燃料電池電動(dòng)中型客車。EQ6700EV3燃料電池中型客車是國(guó)內(nèi)開發(fā)的第一輛30kW質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車。主要技術(shù)參數(shù)：載客數(shù)19個(gè)；外型尺寸為7025×2225×2750mm；整備質(zhì)量5385kg；最大總質(zhì)量5928kg；最高車速（滿載）60km/h；最大爬坡度（滿載）16%；額定功率30kW；續(xù)駛里程300km。 四、北京飛馳綠能電源技術(shù)有限公司（北京綠源公司）與清華大學(xué)合作推出以壓縮氫氣為燃料的“京零一號(hào)”燃料電池輕型客車，2001年4月參加了第三屆北京國(guó)際電動(dòng)汽車、清潔汽車展覽會(huì)。該樣車技術(shù)參數(shù)為：質(zhì)子交換膜燃料電池；額定功率18kW（氫/氧型）；驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率35kW，最大功率90kW；無級(jí)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)；最高車速80km/h；最大爬坡度15%；加速時(shí)間0～40km/h，不大于15s；一次加氫氣行駛里程大于165km。 五、武漢理工大學(xué)從2001年開始，先后開發(fā)了1kW燃料電池摩托車、5kW燃料電池高爾夫球車，2003年底開發(fā)成功燃料電池電動(dòng)轎車“楚天一號(hào)”。2004年底“楚天一號(hào)”轎車接受了專家組的驗(yàn)收，其最高時(shí)速103.6 km/h，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率25kW，0～80km/h加速時(shí)間為22s，最大爬坡度20％。 ●PEMFC汽車商業(yè)化存在的挑戰(zhàn) 近年來由于PEMFC在全球飛速的發(fā)展并取得了巨大的研究成果，PEMFC已經(jīng)通過了示范階段并部分達(dá)到了商業(yè)化階段。但是，在它全面商業(yè)化之前的一年內(nèi)還需要克服許多存在的問題，燃料電池汽車的普及主要存在3個(gè)方面的挑戰(zhàn)：即高純氫氣的穩(wěn)定的供應(yīng)、系統(tǒng)成本的降低和一些技術(shù)問題。 ·高純氫氣的供應(yīng)和存儲(chǔ) PEMFC要全面商業(yè)化，就需要有穩(wěn)定的高純氫氣的供應(yīng)，然而，目前可用的高純氫氣很少并且在氫氣使用方面很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)備受爭(zhēng)議，它存在一些技術(shù)問題難題。 傳統(tǒng)的氫氣制取技術(shù)是碳?xì)浠衔锶缣烊粴庹羝卣?，或者煤氣化技術(shù)，然而，這些方法不可避免的存在CO2的排放，這會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，另外，產(chǎn)物CO會(huì)導(dǎo)致PEMFC中的催化劑嚴(yán)重中毒。開發(fā)更加安全并且更高效的儲(chǔ)氫系統(tǒng)如氣罐、金屬氫化物和化學(xué)氫化物是很重要的。 為了解決技術(shù)難題，對(duì)高純氫氣的生產(chǎn)技術(shù)做了很多的研究，這包括用風(fēng)能和太陽能發(fā)電來電解水。Jacobson評(píng)估了氫氣無論采用天然氣重整、風(fēng)能電解還是煤氣化等中的哪一種方法制取，若美國(guó)所有的道路車輛換為PEFC，就能顯著改善空氣質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)資料，由風(fēng)能電解水得到的PEFC的氫氣在人類健康方面最有優(yōu)勢(shì)，每年能夠挽救美國(guó)3700～6400個(gè)生命，然而，這個(gè)結(jié)果只適用于美國(guó)FCV領(lǐng)域，除了對(duì)人類健康有益外，這個(gè)技術(shù)并不實(shí)際。 除了利用風(fēng)能，PEMFC近期開始研究利用太陽能發(fā)電制取氫氣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)這些文獻(xiàn)，需要對(duì)電解劑設(shè)計(jì)和能量流等方面做進(jìn)一步研究來開發(fā)更有效的系統(tǒng)，在這些技術(shù)中，有效的電解系統(tǒng)是關(guān)鍵因素，因此近期在全球范圍內(nèi)都在積極開發(fā)更有效和更經(jīng)濟(jì)的PEMFC的電解系統(tǒng)。 總之，考慮到使用PEMFC帶來的社會(huì)益處和人類健康，急切需要開發(fā)有效的制氫技術(shù)如用風(fēng)能或太陽能發(fā)電來電解水制氫。 ●車載氫源目前主要有3種形式 ◆高壓氣罐儲(chǔ)氫 采用先進(jìn)的玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金作罐體材料，其儲(chǔ)氫壓力可達(dá)30MPa。 ◆液態(tài)儲(chǔ)氫 需用絕熱性非常好的真空罐,以防止液氫的揮發(fā)與泄漏。 ◆金屬氫化物儲(chǔ)氫 此外，最近研究人員在碳納米材料和玻璃微球儲(chǔ)氫技術(shù)上取得了一些突破。 ·PEMFC系統(tǒng)成本 目前，PEMFC的成本約為500～600$/kW，一輛質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的總成本是使用內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車的10倍。一般質(zhì)子交換膜燃料電池的成本由膜、鉑催化劑、電極、雙極板、外圍設(shè)備和裝配加工等費(fèi)用組成，其中雙極板和含鉑的電極約占PEMFC總成本的80%，為了降低這些成本，很自然的需要開發(fā)更有效和更經(jīng)濟(jì)的所有PEMFC的組件。 典型的單電池電壓為0.6～0.7V，電流密度為0.3～0.6A/cm2，也就是功率密度在2kW/m2以上，然而，電堆棧的性能要比單個(gè)電池的性能差。根據(jù)分析，采用大規(guī)模生產(chǎn)PEMFC的成本就會(huì)降低到內(nèi)燃機(jī)水平，同時(shí)雙極板和MEA的成本占堆棧的主要部分，因此要進(jìn)一步加深降低這兩個(gè)部件成本的研究，另外，還要重點(diǎn)開發(fā)成本低且與全氟磺酸膜質(zhì)子傳導(dǎo)率相同的新的質(zhì)子交換膜。 ·存在的技術(shù)問題 除了上述提到的氫氣供應(yīng)和質(zhì)子交換膜的成本兩大方面外，在PEMFC系統(tǒng)中還存在一些技術(shù)問題，這包括水熱管理、從單電池到堆棧參數(shù)的測(cè)量、流場(chǎng)設(shè)計(jì)、燃料處理、陽極鉑的CO中毒、MEA結(jié)構(gòu)和陰極的極化等。然而，根據(jù)PEMFC目前的技術(shù)狀況，這些技術(shù)問題將會(huì)在最近幾年可得到解決。 ●結(jié)束語 燃料電池技術(shù)由于其高效、環(huán)保等特點(diǎn)，在電動(dòng)車輛上具有很大的應(yīng)用前景。目前，國(guó)際上燃料電池車輛已經(jīng)從示范階段發(fā)展到部分商業(yè)化階段，在某些技術(shù)取得了很大的突破。然而，燃料電池汽車全面商業(yè)化還存在許多方面的挑戰(zhàn)，如氫氣的供應(yīng)、系統(tǒng)成本的降低和一些技術(shù)問題。