石油資源緊缺曾經(jīng)是制約中國轎車工業(yè)發(fā)展，尤其是轎車進入家庭的重要因素。減少大氣污染、改善人類生態(tài)環(huán)境、節(jié)省石油資源是本世紀初的三大難題。但是環(huán)顧世界各工業(yè)，并沒有因為擔心有朝一日石油資源將會枯竭而限制汽車的生產(chǎn)和使用。當然，能源壓力是有的，推動世界汽車業(yè)主要在開發(fā)汽車的替代燃料和節(jié)能兩個方向下工夫, 替代燃料還包括液化石油氣、壓縮天然氣、甲醇和電能。
不過最新的技術(shù)當屬氫動力車。這項技術(shù)從20 世紀60 年代登月后第一次使用，它將氫氣和氧氣混合在一起制造出電力驅(qū)動汽車。它絕對不會破壞環(huán)境，它的副產(chǎn)品只是熱量和純凈的水，宇航員都可以喝。2000 年秋季，在交通部北京試車場，通用公司展示了一輛HyWire 燃料電池動力車。它以中國火箭研究院提供的液態(tài)氫作燃料。
氫與空氣中的氧分別進入燃料電池的兩端，氫氧渴望化合，中間卻隔著極薄的電解膜。氫的電子被電解膜阻隔，收集起來成為電能驅(qū)動電動機；質(zhì)子卻可以通過電解膜與氧化合為水，故排放污染為零。試驗車沒有噪聲，動力充足，時速140 公里。氫動力車關(guān)鍵的技術(shù)在燃料電池的體積，德國奔馳第一代燃料電池車，當時燃料電池幾乎充滿一個旅行車的車廂?，F(xiàn)在已經(jīng)小到可以藏在轎車的座椅下了。汽車是上述三大難題的始作俑者，據(jù)介紹全球大氣污染的近一半是由于汽車造成的，全球80%以上的石油資源被汽車消耗。汽車的排放物被認為是全球溫室效應的第三大制造者，它導致了全球變暖，政府認為現(xiàn)在迫切需要鼓勵發(fā)展更為清潔的汽車。節(jié)能、高效、低污染的燃料電池，是解決上述三大難題的最理想的動力源，它將成為第三代動力源（第一代蒸汽機，第二代內(nèi)燃機）。它的成功將會是汽車工業(yè)的又一次重大變革，也將帶來下一個工業(yè)革命。所以研究開發(fā)燃料電池電動車具有戰(zhàn)略意義。因此受到世界發(fā)達國家的高度重視，投入了大量人力物力進行研究開發(fā)并取的了很大的進展。
1 什么是燃料電池（Fuel Cell）
燃料電池是一種化學電池，但是，它工作時需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(能起反應的物質(zhì))——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學反應釋放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?，所以才被稱為燃料電池。具體來說，燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，通過催化劑的作用，使氫與氧發(fā)生化學反應，等溫、高效、無污染地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其反應過程不涉及到燃燒，能量轉(zhuǎn)化率可高達80％，實際使用效率是普通內(nèi)燃機的2倍以上。其燃料除氫氣、石油外，還可使用天然氣、甲醇、煤以及其它非石油基燃料，由于汽油中含有大量氫，世界各公司正在尋找合適的催化劑，以將汽油中的氫分解出來，供燃料電池使用。
燃料電池具有兩大優(yōu)點：一是發(fā)電效率高達40%～60%，如果組成聯(lián)合供電供熱系統(tǒng)充分利用余熱，則整個系統(tǒng)的效率可高達80%。二是在發(fā)電中不產(chǎn)生氮和硫的氧化物，用這種方式發(fā)電對保護環(huán)境具有重大意義。
燃料電池與其它發(fā)電方式相比有獨到的特點，第一，它是靜止型直接發(fā)電，不象火力發(fā)電那樣，先把燃料的化學能變成熱能，再變成機械能最后才轉(zhuǎn)換為電能，而是直接變成電能，不存在汽輪機、發(fā)電機等機械系統(tǒng)，也不存在零部件的疲勞、磨損等問題，大大增加了運行可靠性；因為它是靜止工作，無噪聲、無振動、可以直接安裝在大樓內(nèi)工作，省去了遠距離的輸送線路。第二，它是由許多單元組成模塊而工作，首先用兩片電極夾住一片電解質(zhì)板，組成一個單元。再由上百個這樣獨立單元堆疊在一起，形成一個燃料電池組，再把許多燃料電池組集合成在一起，便形成了一個發(fā)電站。其發(fā)電效率同發(fā)電站的規(guī)模大小無關(guān)，只取決于每個獨立單元的發(fā)電效率。因而盡管是小規(guī)模的發(fā)電站也具有高的發(fā)電效率。第三，靈活性大，適應性強，作為燃料電池的燃料，并不是直接向它供給氫，而是供給各種碳氫化合物，除可供液化石油氣、沼氣之外，還可以供給甲醇、煤油、粗汽油等。
燃料電池（ＦＣ）具有能量轉(zhuǎn)化率高，燃料多樣化，環(huán)境污染小、噪聲低、可靠性強、維修性好等特點。因此開發(fā)燃料電池汽車，在能源環(huán)保形式日益嚴峻的情況下倍受矚目。
2 燃料電池的種類及用途
目前國內(nèi)外積極研制的燃料電池主要有以下幾種：
其中固體高分子交換膜子燃料電池(PEMFC)體積小、工作溫度低、無污染（電解質(zhì)泄露）、效率高等特點，是汽車最理想的動力源，目前各國研制的燃料電池汽車均采用這種形式的燃料電池。
3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
國外情況：美國通用電氣公司是最早研制燃料電池的公司，早在20 世紀60 年代就將燃料電池用于宇宙飛船，目前該公司正與美國杜邦公司合作，已將PEMFC 的性能，比功率提高了5 倍以上。美國能源伙伴公司目前已能提供5KW,10KW,20KW 的燃料電池，并裝于混合動力汽車上。美國國際燃料電池公司(IFC)研制的PC29 型燃料電池，裝于電動汽車上，其燃料經(jīng)濟性指標，可達到美國政府“ PNGV”計劃中的2004年指標。加拿大的巴拉特公司是一家專門研究燃料電池的公司，目前處于世界領(lǐng)先水平。它與德國奔馳公司，美國福特公司合作研制了多種燃料電池電動汽車，有的已投入實際使用試驗，日本各大公司也進行了大量的研究開發(fā)工作，并取得了很大的進展。根據(jù)日本有關(guān)報道，到2004 年燃料電池汽車將達到商用化程度，美國通用汽車公司研制的“氫動一號”燃料電池概念車，已提供作為27 屆悉尼女子奧運會馬拉松比賽的開道車，它代表當今的最高水平，也預示燃料電池電動汽車已接近實用化的程度。通用首席環(huán)境官、負責環(huán)境和能源事務的副總裁米納諾說，以石油為基礎的汽油和柴油都是近期最佳的燃料，一種類似汽油的燃料則是氫燃料電池車普及之前最好的過渡燃料。通用打算將這種從汽油中提煉的燃料應用于燃料電池汽車和普通汽車中，最終使用氫燃料，這種做法將避免為發(fā)展燃料電池汽車而建設高成本、臨時性的非汽油類燃料供給基礎設施。
目前世界各大廠商已結(jié)成兩大集團，以豐田、通用汽車公司為一方，以戴姆勒—克萊斯勒、福特及三菱汽車公司為另一方，展開了激烈的燃料電池車技術(shù)開發(fā)競爭。
由于各國政府和有關(guān)企業(yè)的重視，燃料電池近來發(fā)展迅速，效果顯著，下表是PEMFC 研制進展的成果表：
國內(nèi)情況：我國在1995 年才開始進行固體高分子交換膜燃料電池（PEMFE）的研究。中科院大連化學物理研究所在“九五”期間承擔了國家重大科技公關(guān)項目“燃料電池技術(shù)”研究，在關(guān)鍵部件和關(guān)鍵技術(shù)方面取得了進展。先后研制出200W、1kW 和5kW 的燃料電池組。并繼續(xù)進一步向小型化、輕量化發(fā)展。
將在近期內(nèi)裝車實驗。此外北京富原公司、上海神力公司、清華大學、交通大學、天津大學及上?？臻g能源所等單位也從事這方面的研究，也都取得了一定進展。北京富原公司、清華大學合作研制了一輛燃料電池汽車，參加了2000 年北京國際環(huán)保展覽會。該公司在目前國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。在燃料電池汽車的開發(fā)上，國家科技部已將燃料電池汽車的開發(fā)列為“863 計劃”的重大專項，在關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化方面取得重大突破的基礎上，率先開發(fā)出燃料電池公共汽車和大巴，進而向中巴、小巴和轎車發(fā)展?！笆濉蹦┢?，開發(fā)出具有市場競爭力并能實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)的燃料電池汽車，關(guān)鍵技術(shù)與零部件具備產(chǎn)業(yè)化能力與先進技術(shù)水平。
4 存在問題及難點
燃料電池車最大優(yōu)點是清潔、無污染，所排出的唯一廢棄物為水分。各大汽車廠商都認為近期內(nèi)有可能取代傳統(tǒng)汽車的清潔交通工具只有燃料電池車。為此，它們紛紛敦促本國政府制定相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，美國能源部已制訂了“氫計劃”，提出要在2010 年讓燃料電池車在汽車市場上占據(jù)25%，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省不久前提出的發(fā)展目標是在2010 年前要把汽車用燃料電池的價格降低到普通汽油發(fā)動機的水平，并且要首先從政府機關(guān)開始普及燃料電池車。雖然燃料電池電動汽車近些年來取得了很大進展，但由于目前還存在一些難以在短期內(nèi)解決的技術(shù)問題，影響了它的實用化進程。其主要難點有：
1) 固體高分子質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）還需要貴金屬鉑作為催化劑，它不僅價格昂貴，而且產(chǎn)量小。目前世界鉑金的年產(chǎn)量僅70 噸，按現(xiàn)在燃料電池的用量計算，僅夠30 萬輛左右的汽車使用。因此，必須研究出鉑金的代用材料，方有可能大量推廣使用。
2) 氫氣的來源、儲存以及將燃料（石油、天然氣、煤、甲醇及其它非石油基燃料）轉(zhuǎn)為氫氣的重整器問題尚未解決。特別是重整器，它是一個小化工廠，要求體積小、重量輕、安全可靠，適宜車上安裝，且價格便宜，其難度更大。
3) 防止CO 對燃料電池電極的毒化作用。在氫燃料中即使有微量的CO、都會顯著降低催化活性，使電池性能急劇下降。因此，必須嚴格控制CO 數(shù)量。
4) 燃料電池工作時水分的調(diào)節(jié)控制。在工作中，水分過多或過少，都將大大影響燃料電池的性能。因此，必須將水分嚴格控制在一定范圍內(nèi)。
5) 價格問題。目前的燃料電池價格雖有大幅度的下降，但還是太高，目前大約要（500 美元/kW）以上，目標要求達到30～50 美元，才有可能與目前的內(nèi)燃機競爭。
據(jù)專家分析，要解決上述問題，使其達到實用化大批量使用程度，樂觀估計需10～20 年，有的估計需20～30 年時間。也有專家認為，燃料電池汽車和電動汽車關(guān)鍵技術(shù)取得突破及實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化預期較遠，并存在較大不確定性。因此技術(shù)基本成熟的混合動力汽車可作為近期研發(fā)、中期產(chǎn)業(yè)化的重要選擇；目前，國內(nèi)在燃料電池和電動汽車電池等關(guān)鍵技術(shù)有待繼續(xù)深入研究，還沒有取得實質(zhì)突破，制約著燃料電池汽車和電動汽車的產(chǎn)業(yè)化。一旦取得突破，將加快燃料電池汽車和電動汽車的產(chǎn)業(yè)化。
5 結(jié)論
據(jù)大量的調(diào)查研究表明，混合動力汽車是目前解決環(huán)境與能源問題最切實可行的方案，也是近期汽車發(fā)展的主要趨勢。世界各主要發(fā)達國家都投巨資進行開發(fā)。并取得了可喜的進展，目前已達到或接近實用化程度。
混合動力汽車的發(fā)動機比現(xiàn)在汽車發(fā)動機小，電池比純電動車的電池小，其一次加油行駛里程以及動力性與目前汽車差不多，但油耗及排放量大大減少，日本豐田公司開發(fā)的混合動力汽車“先驅(qū)者”（PRUS）可節(jié)油50%，二氧化碳量減少一半，HC、NOX、CO 減少90%。
在剛剛落下帷幕的第四屆上海國際工業(yè)博覽會上，一輛“沒有發(fā)動機”的小轎車——“春暉一號”的出現(xiàn)，讓不少參觀者為之駐足。這輛汽車使用了由鋰電池和氫燃料電池組成的新型動力裝置，替代了傳統(tǒng)的發(fā)動機、變速箱、機械差速器和機械傳動軸等裝置。
在同濟大學汽車學院的實驗室里，有正在研制的“超越一號”，和概念車“春暉一號”不同，“披著桑塔納外衣”的“超越一號”具備了完整的車型，是一部真正意義上的燃料電池汽車。
（轉(zhuǎn)載）
