[摘要] 文章介绍了未来汽车动力开发的背景及发展趋势,重点介绍了燃料电池动力系统的应用和技术发展趋势。上汽集团瞄准世界汽车发展趋势,在开发燃料电池汽车方面已经走出了第一步,文章就有关方面的情况作了较为详细的介绍。
[主题词] 燃料电池 汽车 应用
燃料电池是一种新兴的环保动力源,利用氢和氧的物理化学反应取电,排放物仅仅是水蒸气。燃油内燃机车辆在大量消耗石油资源的同时又污染了环境,所排放的碳、氮、硫的氧化物及其他有害排放物已成为城市空气的主要污染源。氢氧燃料电池是一种零排放的新型动力源,用它来驱动各种车辆可以大大减轻大中城市的空气污染,提高人们的生活质量。以北京申奥成功为契机,我国正在加快治理城市大气污染的步伐。目前燃料电池技术日趋成熟,燃料电池动力及燃料供给系统的大规模应用也可预见得到。对我国城市环境保护和能源保障具有重要意义。
1 未来汽车动力开发背景
预测今后30年中,世界汽车保有量将从目前的7亿辆左右增加到近10亿辆。从能源资源保护和排放法规要求出发,如何改变汽车能源以消耗汽油和柴油为主的方式,日益受到社会关注;汽车排放造成的大气污染和温室效应气体CO2,成为各国政府面临的亟须解决的公害问题。为此,开发未来汽车新动力已成为各国汽车工业的迫切任务。
我国汽车需求也在激增。1992年,汽车产量突破了百万大关,2000年突破了200万辆大关, 2002年可望突破300万辆大关。实现100万辆年产量我国奋斗了近40年,实现200万辆年产量用了8年时间,实现突破300万辆大关可能只需要2年时间。从1999年的统计数据可以看出,我国的汽车保有量仅为美国的7.03%,日本的20.25%,但增长的速度却远远超过了这些国家。近两年,根据权威部门的统计显示,随国内汽车的增长,汽车能源消耗和尾气排放,造成能源需求和环境保护面临的压力也越来越大。受排放的制约,以京都议定书为标志,能源消耗中的碳素排放不仅仅是一个科学技术名词,而且成为政治和经济的焦点。我国从1994年起成为石油纯进口国,2000年进口原油7013万t,进口成品油3000万t,耗资 250亿美元。今后几年石油进口将继续快速增长。因此上汽集团非常关注我国的能源战略,关注世界未来汽车新动力的趋向,关注包括燃料电池在内的汽车新动力的研究和开发。
2 未来汽车新动力的发展趋势
从构造和原理方面来分,未来汽车动力主要可分为热机型动力系统、热机一电力混合动力系统和电力型动力系统3种。
热机型动力包括新型代用燃料发动机、氢发动机、斯特林发动机、燃气透平等。在代用燃料发动机方面,主要着重于天然气发动机、乙醇(酒精)发动机、二甲醚(DME)发动机、生物柴油燃料发动机和氢发动机,这些都属于内燃机范畴;
热机一电力混合动力系统主要采用传统原动机和高效二次电池(包括大容量电容器,飞轮储能器),可兼容两方面的工作特性;
电力型动力包括新一代二次电池、太阳能电池、燃料电池(也称为电力型电化学发动机)等;
从发展趋势看,未来汽车新动力主要是先进的二次电池动力系统、热机一电力型混合动力系统以及电力型电化学发动机系统即燃料电池发动机。
汽车新动力开发竞争日趋激化。除在传统车用汽油机和柴油机方面,不断开发新一代直喷式汽油机、直喷式柴油机和各种超低排放的稀薄燃烧发动机以外,跨国汽车公司自上世纪90年代以来,不惜进行巨额投资以便在开发新一代代用燃料汽车、混合动力汽车与燃料电池电动车方面抢占战略制高点。
开发未来汽车动力不仅是企业的行为,而且还列为发达国家重要决策事项。形成国家、产业、科研和大学联合创新系统。美国PNGV或Freedom CAR试图通过开发新一代汽车动力,包括先进二次电池、燃料电池、混合动力汽车、大容量电容器和飞轮储能器,燃气透平和高性能电子、电器件以及开发先进设计技术、新材料技术和轻量化技术,把汽车燃油经济性提高到新水平,以改变目前汽车对石油资源的过度依赖的局面。
欧共体也提出了亟富竞争性的“明日的汽车”计划,以2003-2005年为目标,由汽车公司、汽车零部件公司、能源行业和化工行业等共同进行低排放车辆/零排放车辆开发,其中包括电动汽车用蓄电池、燃料电池在内的先进动力系统以及与此相关的重要技术(电子技术、轻量化材料、电子控制技术)开发,这是针对美国提出的竞争性计划。
日本从1997年开始制定“清洁能源汽车开发计划(ACE)”,决定开发旨在显著提高燃油经济性的混合动力机构与清洁能源相组合的新一代汽车动力。
3 燃料电池动力系统技术发展趋势
燃料电池(Fuel Cell)动力系统通常称为电化学发动机。
燃料电池按照电解质及燃料的种类可分为碱性电池(AFC),磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、固体高分子型燃料电池(PEFC),也称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)以及直接甲醇型燃料电池(DMFC)。见表1所示。
由表1所知,固体高分子型燃料电池和直接甲醇型燃料电池适用于作为未来汽车的动力。另据报道,德国宝马(BMW)公司在2001年也已经把固体氧化物型燃料电池(SOFC)作为车用辅助电源,作为车辆空调、加热、照明用电源。
表1 燃料电池的种类
种类
碱水溶液型
(AFC)
磷酸电解质型
(PAFC)
熔融碳酸盐型
(MCFC)
固体氧化物型
(SOFC)
固体高分子型
(PEFC)
直接甲醇型
(DMFC)
反应温度
(℃)
240
160~210
600~700同时
应用鲍特敏循环,
实现高效率
900~1000同时
应用鲍特敏循环,
实现高效率
60~80可以
常温使用
150
燃料极
H2
H2
H2,CO
H2,CO
H2
甲醇
空气极
O2
空气
空气
空气
空气
空气
电解质
水氧化钾
磷酸水溶液
碳酸锂碳酸
氧化锆陶瓷
阳离子交换膜
(质子交换膜)
磷酸载体
离子交换膜
效率
~50%
40%~50%
45%
~50%
~50%
40%
应用实例
宇航用电源
发电用200kW-llMW
发电用1~2MW
发电用
(包括车用辅助电力)
汽车用8-260kW
汽车用
由于燃料电池是通过电化学反应直接获得电能,因此它是一种高效率、低噪声、低污染的发电系统。正是着眼于这些优点,燃料电池作为将来新一代汽车的动力,世界各大汽车公司和相关企业、科研机构都在加紧开发,呈现激烈的竞争状态。其中德国奔驰与加拿大的巴拉德动力系统公司首次结成开发联盟,1997年福特也加盟该开发联盟;迄今戴姆勒·克莱斯勒已经开发出第五代新燃料电池电动车Necar5,美国通用公司/欧宝也开发出第三代新型燃料电池车“氢动3号(Hydrogen3)”,最近又推出Hy-Wire燃料电池汽车;日本丰田已经开发出第五代燃料电池车“FCHV-5”,在2001年已分别在美国加利福尼亚燃料电池共同体(Ca FCP)组织下进行实车道路试验。丰田已宣布将在2003年限量生产燃料电池车。
目前车用燃料电池系统按照氢燃料供应方式主要可分为3大类:直接供应氢方式(使用高压储氢罐或液氢罐或储氢合金方式)、甲醇重整方式与汽油重整方式。
甲醇重整方式就是以甲醇为燃料,在车上设有甲醇重整器进行制氢,供给燃料电池;汽油重整型燃料电池系统就是在车上装有汽油重整器,其燃料是汽油或者清洁不含硫的碳氢化合物 (CHF)。以上3种方式各有利弊,见表2所示。
表2 燃料电池系统的不同燃料供应方式的比较
燃料电池燃料
供应方式
重整器的
技术难度
燃料供应站
整备状态
直接氢
--
非常困难
甲醇重整制氢
比较容易
稍困难
汽油重整制氢
比较困难
无问题(已完善化)
车用燃料电池几乎都采用质子交换膜燃料电池(PEFC或PEMFC)。在比能量与比功率方面都超过了其他类型的燃料电池。特别是加拿大的Ballard Power Systems(BPS)(巴拉德动力系统公司),燃料电池电堆的比功率已提高到2.2kW/L,使燃料电池在乘用车上应用可能性大为提高。以下对甲醇重整与汽油重整作概要分析。
●甲醇重整
甲醇重整采用水蒸气重整(steam rearming)、部分氧化(partial oxidation)及这二种方式的混合型式奥托热式反应(Auto-thermal)。
戴姆勒·克莱斯勒、丰田、欧宝、日产和其他化学公司正在加紧开发高效率、高响应性和起动性良好的水蒸气重整型甲醇重整器。
●汽油重整
汽油重整器研究开发主要在美国。1998年从美国Arthur D.Little公司分离独立经营的EPYX公司作了重大开发,50kW级汽油/乙醇多种燃料重整器进入长时间的耐久性实证试验阶段,由于汽油重整温度极高(800℃以上),并且必须确保除去汽油中硫份,因此其技术要求相当高。
不论采用何种重整方式,在实际反应过程中不可避免产生CO,并使燃料电池的燃料极上铂催化剂中毒,因此必须把CO含量减少到数10ppm以下。目前CO净化的主要方式采用水性气体反应(water gas shift),在美国采用优选氧化方式 (preferential oxidation,简称PROX),此外,也采用钯膜提取高纯度氢方式。
除了上述3种供应方式,目前还在研究直接甲醇型燃料电池(DMFC)。它是在不采用甲醇重整器的情况下,直接以甲醇为燃料,在燃料极上制氢,其优点是整个系统构成紧凑,成本低。目前在美国的洛斯·阿拉莫斯国立研究所、美国宇航局 (NASA)所属“喷射推进实验室”(JPL)重点进行研究;日本在直接甲醇型燃料电池研究方面也获得较大进展。
车用燃料电池系统就是由重整器、空气压缩机主要总成部件、电控单元及相应辅机构成。燃料电池系统与先进镍氢电池或锂离子电池也可组成燃料电池混合动力电动汽车(FCHV)。丰田的 FCHV—5就是其代表作。
2002年6月,加拿大以“氢行星”为主题举办了第14届世界氢能源大会;2002年9月,中国工程院在北京组织了“氢能源战略及其应用前景”的研讨会。与加拿大一起走在氢能源研究前列的冰岛,正向着以氢能源为基础的经济国家迈进。这个构想是由冰岛大学教授布拉吉·奥得纳松提出的。2003年初,将有3辆使用氢气罐的燃料电池公共汽车行驶在首都雷克雅未克街头。在逐渐增加这种燃料电池公共汽车的同时,冰岛还将给轿车和渔船装上燃料电池,将来所有的车和渔船都要以氢为燃料。冰岛计划利用40年的时间将冰岛建成“氢社会”。
与我国一水相隔的日本政府正准备采取最大限度的措施支持使用燃料电池,将其作为减少CO2排放量的一张王牌。小泉首相在2002年2月的施政方针演说中明确表示:“燃料电池是打开氢能源时代大门的关键。希望能在3年内投入使用”。此后,日本成立了“燃料电池项目小组”,开展普及燃料电池技术的实证实验和有关规定的论证,为早日投入使用作准备。燃料电池技术是向氢社会过渡的桥梁技术,日本的一批厂家将在近期跃居世界前列,日本也可能在不久的将来进入氢社会。
4 上汽集团开发燃料电池技术的战略推进
近20年来,世界各主要汽车生产企业无不投入巨资研究开发环保汽车技术,如电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车和燃气汽车等技术。而燃料电池的发展最有可能打开21世纪氢能源经济的大门。
我国要发展洁净汽车技术,摆脱汽车对单一石油资源的依赖,早日实现多元化清洁能源的战略转换,推进我国汽车工业跨越式可持续发展战略。上汽集团为推广清洁能源,针对桑塔纳轿车开发了LPG(液化石油气)双燃料车型,已被上海市各大出租车公司采用,现在正在进行桑塔纳2000型LPG双燃料及单燃料车型的研究开发工作,如甲醇、二甲醚等燃料。
燃料电池通过氢与氧反应来产生电能,产物是水,这个过程可以说达到“零排放”,对环境保护非常有利。而氢气可以从石油、煤、天然气以及其他非石油基燃料中获取;也可以通过风能、太阳能、原子能等其他各种能源形式电解水获得。我国的能源结构是煤的年产量占总能源的72%,石油只占20%左右。如果燃料电池汽车在中国研制成功和推广使用,将彻底变革原有的发动机燃烧模式,创造真正零污染的汽车,并且改变我国石油依赖进口的现状,对国家环境保护、能源安全与经济的可持续发展将产生深远的战略意义。
我国政府非常重视燃料电池技术。在“十五”国家高新技术研究发展计划(863计划)中,已将燃料电池技术的开发作为能源领域主题重点项目。我国“863计划”在“十五”期间,继续立项资助燃料电池的研究开发,将重点研制质子交换膜燃料电池。
燃料电池汽车作为电动汽车重大专项的研发内容之一,得到国家和上海地方政府的大力支持。上汽集团和有关方面共同出资成立了上海燃料电池汽车动力系统有限公司。该公司就是以国家 863重大专项燃料电池轿车为核心业务,以技术服务、市场营销为支撑的一家高科技公司。主要进行基于燃料电池轿车平台的整车相关技术开发,燃料电池汽车动力平台及零部件研制与销售。我们希望通过国内外合作,在取得传统汽车平台改装燃料电池汽车(FCV)的经验之后,准备用3年左右时间开发全新设计的FCV样车,力争5年之内进入小批量试制阶段,使上海汽车工业的开发能力紧跟世界最尖端水平,在国内保持超前的领先优势。
上汽集团瞄准世界汽车发展趋势,在开发燃料电池汽车方面已经走出了第一步。2001年10月APEC会议期间,由上汽集团利用别克GL8平台,引进国外技术,研究开发的凤凰燃料电池汽车已引起了社会各界的广泛兴趣。
我们认为,以氢为能源的燃料电池技术代表了未来交通工具技术的一个发展方向。氢是一种可再生的清洁能源,并且在发展以氢为动力的燃料电池方面,中国拥有很大的潜力,甚至在推广应用方面可能领先于发达国家。
“更快、更高、更强”是奥林匹克的精神,其实中国汽车工业的发展也要更快、更高、更强,才能适应全球化经济环境。随着中国加入WTO,上汽集团将不断探索新的发展方向,全面推动技术创新和管理创新,树立“满足用户需求、提高创新能力、集成全球资源、崇尚人本管理”的价值理念。为了实现这个价值理念,上汽集团采取“超前开发、联合开发和自主开发”相结合的方法来进行新产品开发。超前开发着眼未来的技术竞争,着重开展对汽车安全、节能、环保、新材料、新能源和汽车电子的研究与开发。联合开发指继续加强与国际大公司的合作,依托结合国内外各种资源开发具有自我知识产权的产品。自主开发,就是以我为主,结合国内外各种资源开发具有自我知识产权的产品。为了加快自主开发能力的形成,上汽集团已成立汽车工程研究院,重点加强对集团产品战略研究、整车产品规划和开发全过程管理,以形成集团自主开发体系。上汽集团通过实施“超前开发、联合开发和自主开发”的战略,以零部件创新为突破口,初步形成技术开发能力,坚持走可持续发展的道路。
围绕着能源、环保和资源安全保障等重大社会问题,未来汽车新动力开发综合应用了现代科技的高新研究成果,获得了飞速进步。在燃料电池系统和混合动力系统中不断应用了电化学、高分子化学、微电子学、电力电子学、计算机科学以及高新材料技术(包括纳米技术和纳米材料)等方面学科的最新成果。其中碳纳米管储氢与贵金属纳米粒子催化剂在燃料电池上的应用,将对燃料电池汽车加速产业化起到重要作用。
未来汽车新动力将使未来汽车真正成为环保型、节能型并能加人家庭使用的便捷的交通工具。未来汽车动力最有希望的是以氢能为主流的动力系统。这不仅包括目前正在开发的以氢为燃料的燃料电池电动车,而且也包括氢发动机汽车。至于更遥远年代的新动力汽车一太阳能车也将以太阳能制氢为能源进行行驶,从而实现人类梦寐以求的真正环保型的未来汽车社会到来。
“建绿色北京,迎绿色奥运”离不开科技的应用,与能源、汽车、环保三者密切相关。上汽集团希望能为2008年的奥运会在这方面做些贡献。我们将积极参加投标联合国UNDP燃料电池BUS项目。进一步研究开发燃料电池及零部件技术,加强这一领域的产业化。为应对我国当前的能源局势和环境保护,实现与世界汽车工业同步发展做些贡献。
参考文献
1 李 瑛.燃料电池.冶金工业出版社,2000
2 David Carman. The 14th World Hydrogen Energy Conference. 2002,Plenary Session
3 陈因达.世界汽车科技的发展与汽车大集团技术开发管理战略的选择.上海汽车,2002.8 |