石油資源緊缺曾經(jīng)是制約中國(guó)轎車工業(yè)發(fā)展，尤其是轎車進(jìn)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(jì)初的三大難題。但是環(huán)顧世界各工業(yè)，并沒(méi)有因?yàn)閾?dān)心有朝一日石油資源將會(huì)枯竭而限制汽車的生產(chǎn)和使用。當(dāng)然，能源壓力是有的，推動(dòng)世界汽車業(yè)主要在開(kāi)發(fā)汽車的替代燃料和節(jié)能兩個(gè)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(guò)最新的技術(shù)當(dāng)屬氫動(dòng)力車。這項(xiàng)技術(shù)從20 世紀(jì)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(dòng)汽車。它絕對(duì)不會(huì)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(chǎng)，通用公司展示了一輛HyWire 燃料電池動(dòng)力車。它以中國(guó)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(jìn)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(lái)成為電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；質(zhì)子卻可以通過(guò)電解膜與氧化合為水，故排放污染為零。試驗(yàn)車沒(méi)有噪聲，動(dòng)力充足，時(shí)速140 公里。氫動(dòng)力車關(guān)鍵的技術(shù)在燃料電池的體積，德國(guó)奔馳第一代燃料電池車，當(dāng)時(shí)燃料電池幾乎充滿一個(gè)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(rèn)為是全球溫室效應(yīng)的第三大制造者，它導(dǎo)致了全球變暖，政府認(rèn)為現(xiàn)在迫切需要鼓勵(lì)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(dòng)力源，它將成為第三代動(dòng)力源（第一代蒸汽機(jī)，第二代內(nèi)燃機(jī)）。它的成功將會(huì)是汽車工業(yè)的又一次重大變革，也將帶來(lái)下一個(gè)工業(yè)革命。所以研究開(kāi)發(fā)燃料電池電動(dòng)車具有戰(zhàn)略意義。因此受到世界發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，投入了大量人力物力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)并取的了很大的進(jìn)展。
1 什么是燃料電池（Fuel Cell）
燃料電池是一種化學(xué)電池，但是，它工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(能起反應(yīng)的物質(zhì))——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學(xué)電池不大一樣。由于它是把燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)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(lái)說(shuō)，燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，通過(guò)催化劑的作用，使氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，等溫、高效、無(wú)污染地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其反應(yīng)過(guò)程不涉及到燃燒，能量轉(zhuǎn)化率可高達(dá)80％，實(shí)際使用效率是普通內(nèi)燃機(jī)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(lái)，供燃料電池使用。
燃料電池具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是發(fā)電效率高達(dá)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(gè)系統(tǒng)的效率可高達(dá)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(duì)保護(hù)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(dú)到的特點(diǎn)，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(xué)能變成熱能，再變成機(jī)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(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)械系統(tǒng)，也不存在零部件的疲勞、磨損等問(wèn)題，大大增加了運(yùn)行可靠性；因?yàn)樗庆o止工作，無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、可以直接安裝在大樓內(nèi)工作，省去了遠(yuǎn)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(gè)單元。再由上百個(gè)這樣獨(dú)立單元堆疊在一起，形成一個(gè)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(gè)發(fā)電站。其發(fā)電效率同發(fā)電站的規(guī)模大小無(wú)關(guān)，只取決于每個(gè)獨(dú)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(yīng)性強(qiáng)，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?xì)浠衔?，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(qiáng)、維修性好等特點(diǎn)。因此開(kāi)發(fā)燃料電池汽車，在能源環(huán)保形式日益嚴(yán)峻的情況下倍受矚目。
2 燃料電池的種類及用途
目前國(guó)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(wú)污染（電解質(zhì)泄露）、效率高等特點(diǎn)，是汽車最理想的動(dòng)力源，目前各國(guó)研制的燃料電池汽車均采用這種形式的燃料電池。
3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
國(guó)外情況：美國(guó)通用電氣公司是最早研制燃料電池的公司，早在20 世紀(jì)60 年代就將燃料電池用于宇宙飛船，目前該公司正與美國(guó)杜邦公司合作，已將PEMFC 的性能，比功率提高了5 倍以上。美國(guó)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(dòng)力汽車上。美國(guó)國(guó)際燃料電池公司(IFC)研制的PC29 型燃料電池，裝于電動(dòng)汽車上，其燃料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，可達(dá)到美國(guó)政府“ PNGV”計(jì)劃中的2004年指標(biāo)。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(guó)奔馳公司，美國(guó)福特公司合作研制了多種燃料電池電動(dòng)汽車，有的已投入實(shí)際使用試驗(yàn)，日本各大公司也進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)工作，并取得了很大的進(jìn)展。根據(jù)日本有關(guān)報(bào)道，到2004 年燃料電池汽車將達(dá)到商用化程度，美國(guó)通用汽車公司研制的“氫動(dòng)一號(hào)”燃料電池概念車，已提供作為27 屆悉尼女子奧運(yùn)會(huì)馬拉松比賽的開(kāi)道車，它代表當(dāng)今的最高水平，也預(yù)示燃料電池電動(dòng)汽車已接近實(shí)用化的程度。通用首席環(huán)境官、負(fù)責(zé)環(huán)境和能源事務(wù)的副總裁米納諾說(shuō)，以石油為基礎(chǔ)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(guò)渡燃料。通用打算將這種從汽油中提煉的燃料應(yīng)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(shè)高成本、臨時(shí)性的非汽油類燃料供給基礎(chǔ)設(shè)施。
目前世界各大廠商已結(jié)成兩大集團(tuán)，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(kāi)了激烈的燃料電池車技術(shù)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。
由于各國(guó)政府和有關(guān)企業(yè)的重視，燃料電池近來(lái)發(fā)展迅速，效果顯著，下表是PEMFC 研制進(jìn)展的成果表：
國(guó)內(nèi)情況：我國(guó)在1995 年才開(kāi)始進(jìn)行固體高分子交換膜燃料電池（PEMFE）的研究。中科院大連化學(xué)物理研究所在“九五”期間承擔(dān)了國(guó)家重大科技公關(guān)項(xiàng)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(jìn)展。先后研制出200W、1kW 和5kW 的燃料電池組。并繼續(xù)進(jìn)一步向小型化、輕量化發(fā)展。
將在近期內(nèi)裝車實(shí)驗(yàn)。此外北京富原公司、上海神力公司、清華大學(xué)、交通大學(xué)、天津大學(xué)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(jìn)展。北京富原公司、清華大學(xué)合作研制了一輛燃料電池汽車，參加了2000 年北京國(guó)際環(huán)保展覽會(huì)。該公司在目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。在燃料電池汽車的開(kāi)發(fā)上，國(guó)家科技部已將燃料電池汽車的開(kāi)發(fā)列為“863 計(jì)劃”的重大專項(xiàng)，在關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化方面取得重大突破的基礎(chǔ)上，率先開(kāi)發(fā)出燃料電池公共汽車和大巴，進(jìn)而向中巴、小巴和轎車發(fā)展?！笆濉蹦┢冢_(kāi)發(fā)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力并能實(shí)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(jìn)技術(shù)水平。
4 存在問(wèn)題及難點(diǎn)
燃料電池車最大優(yōu)點(diǎn)是清潔、無(wú)污染，所排出的唯一廢棄物為水分。各大汽車廠商都認(rèn)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(guó)政府制定相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，美國(guó)能源部已制訂了“氫計(jì)劃”，提出要在2010 年讓燃料電池車在汽車市場(chǎng)上占據(jù)25%，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省不久前提出的發(fā)展目標(biāo)是在2010 年前要把汽車用燃料電池的價(jià)格降低到普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，并且要首先從政府機(jī)關(guān)開(kāi)始普及燃料電池車。雖然燃料電池電動(dòng)汽車近些年來(lái)取得了很大進(jìn)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(wèn)題，影響了它的實(shí)用化進(jìn)程。其主要難點(diǎn)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(jià)格昂貴，而且產(chǎn)量小。目前世界鉑金的年產(chǎn)量?jī)H70 噸，按現(xiàn)在燃料電池的用量計(jì)算，僅夠30 萬(wàn)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(lái)源、儲(chǔ)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(wèn)題尚未解決。特別是重整器，它是一個(gè)小化工廠，要求體積小、重量輕、安全可靠，適宜車上安裝，且價(jià)格便宜，其難度更大。
3) 防止CO 對(duì)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(huì)顯著降低催化活性，使電池性能急劇下降。因此，必須嚴(yán)格控制CO 數(shù)量。
4) 燃料電池工作時(shí)水分的調(diào)節(jié)控制。在工作中，水分過(guò)多或過(guò)少，都將大大影響燃料電池的性能。因此，必須將水分嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。
5) 價(jià)格問(wèn)題。目前的燃料電池價(jià)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(biāo)要求達(dá)到30～50 美元，才有可能與目前的內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。
據(jù)專家分析，要解決上述問(wèn)題，使其達(dá)到實(shí)用化大批量使用程度，樂(lè)觀估計(jì)需10～20 年，有的估計(jì)需20～30 年時(shí)間。也有專家認(rèn)為，燃料電池汽車和電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)取得突破及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化預(yù)期較遠(yuǎn)，并存在較大不確定性。因此技術(shù)基本成熟的混合動(dòng)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(guó)內(nèi)在燃料電池和電動(dòng)汽車電池等關(guān)鍵技術(shù)有待繼續(xù)深入研究，還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)突破，制約著燃料電池汽車和電動(dòng)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(dòng)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(dòng)力汽車是目前解決環(huán)境與能源問(wèn)題最切實(shí)可行的方案，也是近期汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)。世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家都投巨資進(jìn)行開(kāi)發(fā)。并取得了可喜的進(jìn)展，目前已達(dá)到或接近實(shí)用化程度。
混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)比現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)小，電池比純電動(dòng)車的電池小，其一次加油行駛里程以及動(dòng)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(kāi)發(fā)的混合動(dòng)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(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，一輛“沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)”的小轎車——“春暉一號(hào)”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(dòng)力裝置，替代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、機(jī)械差速器和機(jī)械傳動(dòng)軸等裝置。
在同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，有正在研制的“超越一號(hào)”，和概念車“春暉一號(hào)”不同，“披著桑塔納外衣”的“超越一號(hào)”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）
