1概述

隨著世界汽車工業(yè)的不斷發(fā)展壯大,汽車工業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越突出,汽車工業(yè)已成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一,并對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步出現(xiàn)巨大的用途和深遠(yuǎn)的影響。

燃料動(dòng)力電池發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電等之后的新一代發(fā)電技術(shù)。它是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝С掷m(xù)發(fā)電裝置。因這種裝置的基本原理是原電池反應(yīng)而不涉及到燃燒,因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制,理論效率可達(dá)90%,實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。另外,它還具有燃料多樣性、噪音低、對(duì)環(huán)境污染小、可靠性與維修性好等優(yōu)點(diǎn)。燃料動(dòng)力電池作為新一代汽車動(dòng)力源,已被世界各大工業(yè)國(guó)視為戰(zhàn)略產(chǎn)品。

氫被稱為“21世紀(jì)的能源”,是今后世界、也是我國(guó)解決面對(duì)的能源危機(jī)的一條重要途徑?？茖W(xué)家和社會(huì)學(xué)家預(yù)言,下一次工業(yè)革命將從氫能源開始,現(xiàn)在全世界的科學(xué)家都在積極尋求一種既清潔又無(wú)污染的能源,氫是科學(xué)家們看好的最理想的燃料。隨著以氫為重要燃料的燃料動(dòng)力電池技術(shù)和產(chǎn)品不斷發(fā)展,并逐步進(jìn)入推廣和應(yīng)用階段。世界各重要國(guó)家都已認(rèn)識(shí)到氫燃料動(dòng)力電池技術(shù)潛在的巨大市場(chǎng),紛紛斥巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā),擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域,氫燃料動(dòng)力電池技術(shù)將給人類社會(huì)的建設(shè)和發(fā)展帶來(lái)積極影響。

我國(guó)對(duì)發(fā)展燃料動(dòng)力電池汽車產(chǎn)業(yè)高度重視,已出臺(tái)了一系列計(jì)劃和政策?？萍疾恳褜⑷剂蟿?dòng)力電池汽車列入“十五”期間的“863”關(guān)鍵高科技攻關(guān)項(xiàng)目之一。研發(fā)燃料動(dòng)力電池汽車,用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)汽車工業(yè),實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)的跨越發(fā)展,目前已面對(duì)著極佳的機(jī)遇。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)90年代以來(lái),燃料動(dòng)力電池技術(shù)在全球的開發(fā)活動(dòng)異?；钴S。以日本、美國(guó)和歐盟為代表的重要國(guó)家和地區(qū),特別是豐田、寶馬、通用、本田、大眾等重要汽車廠商根據(jù)本國(guó)和公司的實(shí)際情況,先后采取了不同的新能源汽車技術(shù)發(fā)展策略,研發(fā)成功了多款新能源概念車型和應(yīng)用車型,其中一些成熟的技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

當(dāng)前,世界20多個(gè)國(guó)家的1000多家公司和機(jī)構(gòu)正投入巨資加緊進(jìn)行燃料動(dòng)力電池技術(shù)和產(chǎn)品的研究與商業(yè)化工作。截至2005年十二月,已有14500多個(gè)燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝在世界各地,分布于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。圖1為《FuelCellToday》網(wǎng)絡(luò)雜志2005年底對(duì)全球燃料動(dòng)力電池安裝數(shù)量所做的一個(gè)調(diào)查結(jié)果。圖2為2005年不同技術(shù)類型的燃料動(dòng)力電池安裝數(shù)量比例餅圖。

日本在混合動(dòng)力汽車方面技術(shù)最為先進(jìn);美國(guó)將新能源汽車研發(fā)重點(diǎn)放在氫能和燃料動(dòng)力電池汽車,同時(shí)大力推動(dòng)生物燃料汽車的產(chǎn)業(yè)化。美國(guó)加州已頒布的汽車排放法規(guī)要求在2003年加州出售的所有汽車中,零排放車的數(shù)量必須占到10%;歐洲在混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車、氫能和燃料動(dòng)力電池汽車方面都有設(shè)計(jì),在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域也大力推廣生物燃料汽車;巴西在生物燃料汽車應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先水平,是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽車應(yīng)用國(guó)家之一;挪威和加拿大積極發(fā)展氫能源,提出了建設(shè)“氫高速公路”計(jì)劃,并已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。

按現(xiàn)在的發(fā)展速度看,燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車批量生產(chǎn)階段越來(lái)越近,本世紀(jì)可提前實(shí)現(xiàn)燃料動(dòng)力電池汽車商業(yè)化。預(yù)計(jì)到2010年,燃料動(dòng)力電池在價(jià)格上將具備與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的能力。屆時(shí)美國(guó)市場(chǎng)上以燃料動(dòng)力電池為動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車將占美國(guó)汽車市場(chǎng)4%的份額,日本和西歐燃料動(dòng)力電池汽車將分別占市場(chǎng)份額的15%和17%。到2020年,燃料動(dòng)力電池汽車將占世界汽車市場(chǎng)的25%。

2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)新能源汽車總體上起步較晚,與世界先進(jìn)水平存在較大差距,但在部分領(lǐng)域也處于較為先進(jìn)的水平。目前我國(guó)在混合動(dòng)力、氫能和燃料動(dòng)力電池汽車方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平,沒(méi)有在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得重要突破。在純電動(dòng)汽車和二甲醚汽車方面,我國(guó)已經(jīng)成功研發(fā)一系列轎車和客車產(chǎn)品,并進(jìn)行了示范運(yùn)行和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展嘗試,步入了國(guó)際領(lǐng)先行列。

我國(guó)在產(chǎn)業(yè)政策制定方面起步也較晚,從2001年起,為維護(hù)我國(guó)能源安全,改善大氣環(huán)境,提高加入WTO后我國(guó)汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,經(jīng)過(guò)多方論證和廣泛征求意見,我國(guó)科技部在“十五”國(guó)家863計(jì)劃中啟動(dòng)了國(guó)家、地方和公司配套資金合計(jì)約16億元人民幣的電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)。盡管從目前來(lái)看我國(guó)產(chǎn)業(yè)政策的績(jī)效尚難以評(píng)估,但是與美國(guó)、歐盟和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策相比較,我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策仍存在很大的改進(jìn)空間。

3新能源汽車技術(shù)

隨著石油資源逐漸短缺,扭轉(zhuǎn)目前以石油為主的能源利用格局,實(shí)現(xiàn)能源多樣化成為未來(lái)汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。世界各國(guó)政府已清醒地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),紛紛撥款用于技術(shù)開發(fā),并制定了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)計(jì)劃。各大汽車公司和相關(guān)公司、科研機(jī)構(gòu)都加大了研發(fā)投入,加緊研究開發(fā),并紛紛推出了一些具有先進(jìn)技術(shù)的代表車型,其中涉及燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及其他生物能源汽車。尤其是自2004年年初,原油價(jià)格的一路狂飆使成品油價(jià)格隨之上漲,很多汽車行業(yè)專家紛紛表示,高油價(jià)正在為更環(huán)保、更省油的新能源汽車帶來(lái)一個(gè)千載難逢的發(fā)展契機(jī),世界汽車工業(yè)有望從此加速擺脫對(duì)石油的依賴和對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染,從而進(jìn)入一個(gè)清潔能源時(shí)代。

3.1燃料動(dòng)力電池汽車

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

燃料動(dòng)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(dòng)力電池出現(xiàn)動(dòng)力的零排放概念車“氫動(dòng)一號(hào)”,該車加速快、操作靈活,從0～100km加速僅16秒,最高時(shí)速可達(dá)140km,續(xù)馳里程400km。空氣產(chǎn)品公司、普拉克斯公司作為領(lǐng)先的液氫供應(yīng)商,其供氫站已經(jīng)可為氫燃料動(dòng)力電池汽車供應(yīng)24～34Mpa的液氫。由于氫燃料動(dòng)力電池具有零排放等其他燃料不具備的優(yōu)點(diǎn),目前研究的重點(diǎn)重要是氫燃料動(dòng)力電池。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和混合動(dòng)力汽車相比,燃料動(dòng)力電池汽車具有無(wú)污染、“零排放”、高能量效率、低噪音、良好的動(dòng)力及操控系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2混合動(dòng)力汽車

經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,混合動(dòng)力系統(tǒng)已從原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展,即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力汽車是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與電動(dòng)汽車相結(jié)合的產(chǎn)物,它繼承了電動(dòng)汽車低排放的優(yōu)點(diǎn),又發(fā)揮了石油燃料高的比能量和比功率的優(yōu)點(diǎn),顯著改善了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性,新增了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程,在由內(nèi)燃機(jī)汽車向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變過(guò)程中扮演著重要的角色。

電池是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件之一。目前HEV電池的主流產(chǎn)品是鎳氫電池,重要的生產(chǎn)廠商是日本三洋和松下公司,美國(guó)的生產(chǎn)廠商Eobasys,JohnsonControlSAFT等公司也先后加入到鎳氫電池的研發(fā)和銷售。鎳氫電池具有高能量、高功率、長(zhǎng)壽命、較好的高低溫性能、比較容易進(jìn)行串并聯(lián)組合等特點(diǎn),目前大部分商業(yè)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(jìn)和使用階段,其重要優(yōu)勢(shì)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(jià)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(zhì)量,降低一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物等重要污染物的排?而且它對(duì)機(jī)動(dòng)車的行駛性能也沒(méi)有影響。

戴姆勒克萊斯勒公司推出的NECAR5汽車堪稱是燃料動(dòng)力電池技術(shù)的里程碑。這種燃料動(dòng)力電池動(dòng)力汽車在美國(guó)已完成了4831km行車試驗(yàn)。NECAR5是戴姆勒-克萊斯勒公司開發(fā)的第5代燃料動(dòng)力電池汽車,由Ballard燃料動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng),該系統(tǒng)包括車載甲醇轉(zhuǎn)化器,轉(zhuǎn)化器從液體甲醇抽取氫氣驅(qū)動(dòng)燃料動(dòng)力電池。在穿越美國(guó)的行車試驗(yàn)中,汽車每行駛48311km,用克萊斯勒分配器配給的甲醇補(bǔ)加一次燃料。

生物柴油是指利用植物油和動(dòng)物脂肪等可再生的資源與甲醇的進(jìn)行酷交換而形成的長(zhǎng)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(huán)境友好性和優(yōu)良的可替代性等突出優(yōu)勢(shì)。