燃料电池汽车的关键技术
经过三代发展，电动车用电池取得突破性进展。
1代是铅酸蓄电池，目前主要是阀控铅酸蓄电池(VRLA)。由于比能量高、价格低、高倍率放电，是唯一可以大批量生产的电动车用电池。
第二代是碱性电池，主要包括镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物电池，其比能量和比功率高于铅酸电池，从而大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格高于铅酸电池。
第三代是以燃料电池为基础的电池，直接将燃料的化学能转化为电能，能量转化效率高，比能量和比功率高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，是理想的汽车电池，一些关键技术还有待突破。
电动汽车广泛使用的燃料电池是一种叫做质子交换膜(PEMFC)的燃料电池，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂。它不经过热机过程，不受热循环限制，所以能量转换效率高，是普通内燃机的2 ~ 3倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动快、比功率大、输出功率随时可调等特点，这使得PEMFC非常适合用作车辆的动力源。美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要地区。在美国能源部(DOE)、交通部(DOT)和环境保护局(EPA)的支持下，燃料电池技术取得了长足的进步。通用汽车、福特汽车、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业都参与了燃料电池汽车在加州的技术示范运行。还培育了美国通用汽车公司在2007年秋季推出的项目车道计划，如美国UTC(联合技术公司)和加拿大Ballad(评书)，将65，438+000辆雪佛兰Equinox燃料电池汽车交到消费者手中。2009年，总里程达到65，438+60万公里。同年，通用汽车宣布开发新一代氢燃料电池系统。与雪佛兰Equinox燃料电池车上的燃料电池系统相比，新一代氢燃料电池的体积缩小了一半，重量减轻了100 kg，铂耗仅为原来的1/3。通用新一代燃料电池汽车的铂耗已降至30 g，按照目前的国际市场价格，铂耗在300~400元/g，1000 kW燃料电池的铂成本约为10000人民币，大大降低了燃料电池的成本。预计到2017年，100 kW燃料电池发动机的铂耗将降至10~15 g，达到汽油机传统三元催化转化器的铂耗水平。
2006年，美国专门启动了国家燃料电池城市客车计划(NFCBP)，开展了广泛的车辆研发和示范工作。2011年，美国燃料电池混合动力客车使用寿命超过1.10000 h，美国还进行了燃料电池混合动力叉车的大规模示范。到2011，美国约有3000辆燃料电池叉车，使用寿命为12500 h，燃料电池叉车用于室内空间，具有噪音低、零排放的优点。欧洲的燃料电池客车示范计划已完成第六个框架计划(2002-2006)和第七个框架计划(2007-2012)，旨在突破燃料电池和氢能发展中的一些关键技术难点。在Cute(欧洲清洁城市交通)中，在欧洲清洁城市交通和欧盟其他相关项目的支持下，各城市开展了燃料电池公交车的示范运营，今年又实施了新计划CHIC(欧洲城市清洁氢气)。包括阿姆斯特丹、巴塞罗那、汉堡、伦敦、卢森堡、马德里、波尔图、斯德哥尔摩、冰岛斯图加特和澳大利亚珀斯，即可持续交通能源计划，欧洲在燃料电池汽车的可靠性和成本控制方面取得了很大进展。
在德国，2012年6月，各大汽车和能源公司及政府承诺建立广泛的全国氢燃料加注网络，并支持制定激励计划，即到2015年，在全国建设50个氢加注站，为全国5000辆燃料电池汽车提供氢服务[7]。戴姆勒-奔驰于2011开展燃料电池汽车全球展，证明燃料电池汽车的性能已经达到传统汽车的性能，具备产业推广的能力。戴姆勒集团参与了“Hyfleet: Cute (2003-2009)”项目。36辆梅赛德斯-奔驰Citaro燃料电池公交车已由20家运输运营商运营，运营时间超过654.38+0.4万小时，里程超过220万公里。然而，第一代纯燃料电池公交车的寿命只有2 000 h，经济性差。2009年，戴姆勒集团开始推出由轮边电机驱动的第二代燃料电池客车，主要性能达到国际先进水平，经济性大幅提升，燃料电池耐久性达到65，438+0.2万h..
德国西门子公司研制的燃料电池已成功应用于德国214型潜艇(氢氧型)[11]。2007年，德国戴姆勒奔驰公司、美国福特汽车公司和加拿大巴拉德公司合作成立了AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation ),研发和推广汽车燃料电池。2013年初，宝马决定与燃料电池技术排名第一的丰田汽车公司合作，丰田向宝马提供燃料电池技术。从世界范围来看，日本和韩国在燃料电池研发方面领先世界，尤其是丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性、寿命和成本方面逐渐超越美国和欧洲。丰田2008版FCHV-Adv在实际测试中-37℃成功启动。一次加氢行程里程达到830km，单位里程耗氢量为0.7 kg/(100 km)，相当于汽油的3L/(100 km)，如图3【12】。2013年10月，丰田在第43届东京车展上展出了计划于2015年投放市场的燃料电池概念车。燃料电池堆作为技术核心，已经实现了当时世界上最高的3 kW/L的功率密度。燃料电池堆取消了加湿模块，不仅降低了成本，减轻了车重和体积，还降低了燃料电池的热容量，有利于燃料电池低温快速冷启动。如图5所示，是丰田公司的FCHV-Adv。
目前，丰田汽车公司在扩大混合动力车的同时，正在为燃料电池车的产业化做准备，计划于2015年推出新一代燃料电池车进行量产。2016新一代燃料电池客车生产(与日野合作)。与丰田汽车公司类似，日产汽车公司也在燃料电池堆和汽车的研发方面投入巨资。2011，日产的燃料电池堆功率90 kW，质量只有43 kg。2012年，日产汽车公司开发的stack功率密度达到2.5 kW/L，为当时世界最高水平[65438+]此外，本田新开发的FCX Clarity燃料电池车可以在-30℃顺利启动，续驶里程620 km[15]。2014年本田公布的新一代燃料电池堆功率密度也达到了3 kW/L，韩国现代从2002年开始研发燃料电池汽车。2005年，它用Ballard的stack组装了32辆运动型多功能车(SUV)。2006年推出第一代自主研发的stack，组装30辆SUV和4辆客车，进行示范运营。在2009-2012期间，开发了第二代反应堆，装配了100辆SUV。在中国开始了演示和试验，提高了反应堆的性能。2012年，第三代燃料电池SUV和客车上市，全球示范开始；2013年，现代宣布提前两年投产燃料电池SUV(现代ix35)，在全球率先进入燃料电池小规模生产阶段。SUV采用100 kW燃料电池，24 kW锂离子电池，100 kW电机，70 MPa氢气瓶可储存5.6 kg氢气，在新欧洲驾驶循环(NEDC)的循环条件下，续驶里程为588 km，最高时速为160 km/h。在国家“863”高技术项目、“十五”电动汽车重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大专项的支持下，通过产学研联合研发团队的努力，我国在燃料电池汽车技术研发方面取得了长足进步，初步掌握了整车、动力系统和核心零部件的核心技术。基本建成了具有自主知识产权的燃料电池汽车和燃料电池城市客车动力系统技术平台，初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC转换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系，实现了百车动力系统和整车生产能力。中国燃料电池汽车正处于商业化示范、运营、考核和应用阶段，已在北京奥运燃料电池汽车规模、上海世博会燃料电池汽车规模、UNDP(联合国开发计划署)燃料电池城市公交示范、“十城万辆”、广州亚运会、
深圳大运会等示范应用取得了良好的社会效益。中国燃料电池汽车采用独特的“电-电混合”动力系统平台技术方案，具有“动力系统平台整车适配、电-电混合能源动力控制、车载高压储氢系统、工业副产氢气净化利用”的技术特点。“十一五”新一代燃料电池汽车的动力系统在“十五”研发的基础上，结合车辆平台的变化，采用扁平化的动力系统布局方式，燃料电池发动机的氢气子系统、空气子系统和冷却系统采用模块化分散布局方式，增加了动力系统和车辆的灵活性，明显提高了车辆的人机工程性能。同时，对集成DC/DC变流器、DC/交流控制器、电动空调、低压变流器等电力部件的电力系统控制单元进行了优化，提高了模块化程度，便于集中处理电磁兼容、系统散热和电气安全等问题，体现了电动化。
汽车动力系统一体化设计的方向。与“十五”燃料电池汽车的动力系统相比，新一代动力系统的性能得到了进一步的优化和提高。主要表现在:燃料电池发动机功率从40千瓦提高到55千瓦；；动力电池容量由48千瓦时降至26千瓦时；电机功率从60千瓦提高到90千瓦；；电机控制器(DC/AC)功率提高35%，体积比功率提高12.5%。同时，动力系统继续保持燃油经济性的技术优势。在整车整备质量增加近250 kg的前提下，整车动力性能明显提升，但燃油经济性较差。
保持原有水平1.2 kg/(100 km)。中国的国家“863”高技术项目继续支持燃料电池汽车的研究和发展。“十二五”期间，为保持我国电动汽车的技术制高点，继续支持燃料电池汽车。从产业角度看，即使在“十五”全球燃料电池汽车产业化热潮期间，中国汽车工业也没有对燃料电池汽车进行大规模投资。进入“十二五”后，SAIC制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源电力为燃料电池堆供应商，开始投入大量资金研发燃料电池汽车。目前，FCV正在开发第三代燃料电池汽车。在2011 bibby德比中，SAIC研发的FCV在燃料电池车类别中排名第三。
同济大学开展了多轮燃料电池车的研发，开发的燃料电池车已在奥运会和世博会投入大规模示范运营。“十二五”期间，同济大学将为中国一汽集团、东风汽车公司、奇瑞汽车有限公司、中国长安汽车集团有限公司集成燃料电池汽车，典型燃料电池混合动力汽车在中国城市循环工况下的技术参数如表6所示。