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燃料电池汽车及氢源的发展现状和预测
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一、引言 近年来，燃料电池汽车的迅猛发展和商业化的推进席卷了整个世界，其高效节能，以及零排放或接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点。随着国际各大汽车生产商和石油巨头的积极参与，从资金到技术的大力投入，燃料电池汽车已经走出实验室，开始商业化旅程。很多专家更是乐观地认为，燃料电池汽车将引发汽车工业的革命，最终取代传统内燃机车成为主流。 基于PEMFC的燃料电池汽车需要氢气作为燃料。目前要实现燃料电池汽车的商业化，主要问题是解决氢源问题和降低成本，而氢源技术已成为燃料电池商业化的技术瓶颈。车用燃料电池的。燃料来源主要有两种， 一是直接用氢， 二是车载制氢技术，这两种方法又存在诸多不同的技术路线，因此什么样的氢源最适合用于燃料电池汽车的问题一直以来都是争论的焦点。我国目前在燃料电池技术总体水平上与国际先进水平还有很大差距，要想迎头赶上，必须找到适合本国国情的最佳切人点，即从经济性，能效性和环境性能方面都是最合理的燃料链。 本文就是从这样的背景出发，拟从国内外燃料电池汽车发展现状出发，对本国燃料电池汽车的技术发展和商业化进程作出预测。 二、国内外燃料电池汽车的崛一现状 2.1国际各大汽车公司燃料电池汽车发展现状 据 2003年6月最新统计，目前世界上已经有近20家汽车公司70余种车型的燃料电池汽车问世。表1仅列出典型汽车公司具有代表意义的车型37种，基本描述了美国，日本以及欧洲一些国家在燃料电池汽车方面研究及发展的现状，表末则介绍了国内的研究成果。 由表1可知，迄今为止推出的燃料电池汽车中，压缩氢气最受关注，这主要是因为这种车型的燃料供给在技术性上最为简单可行；而自1997年首辆甲醇燃料电池汽车NeCar3问世以来，甲醇重整也成为研究开发的新热点。其他的产氢及储氢方法，如液氢，合金储氢，以及汽油重整也有一些研究。可见从现行的燃料电池汽车来看，燃料选择存在多元性。 另外我们还可以发现，燃料电池汽车（FCV）在全方位都得到了迅猛发展。首先，推出FCV的公司已从最初的几家（GM，Ballard，Daimler－Chrysler等），迅速蔓延为遍布全球的近20家，虽然各大公司的车型和侧重的技术路线不尽相同，但显然都把FCV的商业化推广作为抢占未来汽车市场的一项战略措施，在竞争中求发展；再者，各公司出产的FCV在性能上也是日进千里，从续驶里程，最大时速，到燃油经济性，乃至储氢的压力，都取得了迅速的进展，让人们对燃料电池汽车的未来充满信心。 2．2各大公司燃料电池汽车生产及应用的预期日程安排 目前，作为燃料电池汽车的预期生产目标，概念车及样车的时期已告一段落，而各大汽车生产商对燃料电池汽车生产的确切时间表尚不确定，因为在新技术发展的初期存在太多的不确定因素，包括技术和经济可行性等。然而各汽车公司在自己制定的目标中以及能源和汽车专家都认为，燃料电池汽车的发展将按如下时间段进行： 2002－04：在美国，欧洲，日本实现燃料电池汽车的示范车队； 2006－07：第二代燃料电池系统融人汽车技术，车队规模继续增大； 2010：燃料电池汽车实现商业化推广。 总的说来，大多数汽车制造商预计将在2010年左右实现全面的商业化。不过 GM和Ford的态度比他们更坚决，他们断言到那时已经可以生产大批量的燃料电池汽车。相对来讲，Honda和Toyota对将来的计划更谨慎，不过他们今年也加速了进程，或许日本市场的内部竞争及不断增长的政府投入将加速加快燃料电池汽车的全面商业化。 2．3国内燃料电池及其在交通领域的进展 我国的燃料电池研究始于1958年，经过4O余年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍，研究条件明显改善。尤其在PEMFC方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小。 在质子交换膜燃料电池本体技术发展的基础上，1998年，北京理工及清华大学开发了燃料电池微型电动车，2000年底上海神力科技有限公司开发了”氢动力一号”游览车，并亮相于2000年上海工博会。2001年1月，中科院大连化学物理所、电工所、东风汽车公司研制了30kw燃料电池中巴车，北京绿能公司也于200年也装出了自己研制的燃料电池车。另据2003年8月最新消息，同济大学与上海汽车集团联合推出了我国首辆燃料电池混合动力轿车“超越一号”，并经过了国家科技部检验。作为我国第一代燃料电池混合动力汽车的样车，“超越一号”以桑塔纳2000为基体，采用了我国拥有完全自主知识产权的纯氢燃料电池动力平台，标志着我国燃料电池汽车发展的里程碑，大大缩短了我国与世界先进水平的差距。 同时，我国在储氢技术和车载制氢技术上有了一定的发展，2002年1月，中国科学院宣布启动知识创新工程重大项目“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”，这项重大项目的启动将为我国汽车工业在新世纪的跨越发展提供技术原动力。因此，鉴于PEMFC电动汽车在各类电动汽车发展中的明显优势，应该得到重点的发展。 三、国内外氢源选择的崛 基于质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车需要氢气作为燃料，而氢源技术已成为燃料电池商业化的技术瓶颈。因此Ford的一名高级技术研究人员指出，解决氢源的问题比解决燃料电池本身更具有意义。 我国目前在燃料电池技术总体水平上与国际先进水平还有很大差距，要想迎头赶上，必须找到适合本国国情的最佳切入点，即从经济性，能效性和环境性能方面都是最合理的燃料链。 下面将结合国外燃料电池氢源选择相关研究的结果，以及国内关于燃料电池氢源选择的863软课题的基本结论探讨适合我国国情的方案。 3.1国外燃料电池氢源选择的研究 近年来，国外很多研究从”井口到车轮”的全生命周期角度评估了燃料电池汽车氢源的选择方案。总的说来，大部分研究都将纯氢，甲醇和汽油作为三种最主要的选择来进行研究。但由于评估中存在很多不确定因素，他们得到的结论不尽相同：Princeton的Ogden，DTI.的Thomas等认为纯氢燃料电池汽车最具优势；而Methanex, Methanol Institute更倾向于甲醇燃料电池汽车；其他的一些科研机构则客观地阐明了三种燃料选择的优缺点。 由上可见，三种燃料选择各有利弊，要作出合理选择就要考虑本国的能源结构，从国情出发，选择适合的氢源方案。 3．2国内燃料电池氢源评估的主要结论 为探索适合我国能源国情的氢源基础设施方案，国家高科技研究发展计划（863计划）设立了”燃料电池汽车氢源基础设施工程前期研究”软课题，旨在对氢能源进行全生命周期的研究，并进行车载制氢与加注站制氢的比较与分析，制氢技术和经济性研究与比较。本课题是国内首次从资源开采到汽车使用的全生命周期评价，针对不同氢源选择对能效、排放及经济性（3E）进行系统分析，因此很有评估价值。大连化物所作为863软课题的主要承担单位之一，作出了大量首创性的工作，以下将简要介绍研究的结论。 首先根据科学可行的氢源方案筛选原则，从相当多的燃料链中最终确定10条燃料链作为研究对象。 选取的燃料链主要还是集中在纯氢，甲醇和汽油三种燃料选择上，具体地，包括三条车载制氢燃料链，两条大型管道输氢和五条加注站制氢燃料链，基本涵盖了近中期所有可行的技术路线。 接下来对所选10条燃料链进行了环境，经济性和能效性（3E）的全面的评估。 我们可看出： （1）车载制氢路线在能效用故及经济性方面（3E）都明显优于纯氢车，应被重点推荐； （2）从不同化石基的角度考虑，天然气基燃料链的3E性能最优；汽油基燃料链略逊之，不过它相对较高的能效性是一个优势；相对地，煤基燃料链最不乐观；然而随着原油越来越少及我国对煤加工利用的大力投人，形势会相应改变； （3）加注站现场制氢的各条燃料链3E性能相对较差，尤其是煤电电解水制氢燃料链，所以很难进行大规模商业化，但作为演示性质的燃料电池车队氢源，仍很有现实意义； （4）由天然气和煤进行大型制氢及氢管网输送的燃料链在3E性能方面属中等水平，然而巨大的基础设施投资使它们的可行性大大降低； 选择什么样的氢源，基础设施投资是一个重要的决定因素。本课题研究中假定发展汽油燃料电池汽车基本不需要基础设施投资，其他的方案则需要不同程度地投资，并以天然气制甲醇的车载制氢燃料链为基准进行了各方案基础性投资的对比。 从比较可以看出，采用输氢管网或天然气管网的氢源路线，其基础设施投资是基准线的30倍以上，其他的加氢站现场制氢路线投资也在12－14倍左右。可见，短期内输氢管网或天然气管网的氢源路线的氢源方案是不现实的。因此研发燃料电池汽车，推荐以甲醇和汽油车载重整车为发展目标，而由加注站制氢发展纯氢车也是过渡时期内演示车队的可选方案。四．对国内燃料电池汽车发展的预测 上文已对国内外燃料电池及氢源技术现状的进行了分析。结合各大汽车公司对燃料电池汽车推广的预期日程安排，以及氢源选择的评估结果，本文还想对国内燃料电池汽车产业的发展作一些展望，供同行参考指正。 我们对燃料电池汽车技术的发展趋势作如下预测： 由于车载制氢在3E性能方面的优势，而且相对来讲甲醇重整技术难度较小，因此可能会率先在我国得到发展，汽油重整则紧随其后。对于纯氢燃料电池汽车来说，其演示车队可望行驶于2008年北京奥运会，与其相关的加注站制氢，和储氢技术也将有所提高，但由于受到巨大基础设施投资的影响，其大规模生产恐怕要相应的延后。 随着燃料电池总体水平的突飞猛进，燃料电池汽车也必将在交通领域中引发革命，如图3所预测的，从 2008年左右开始有燃料电池汽车车队，到2024年燃料电池汽车将占汽车总量的25％以上，而且将以更快的速度扩张。五、总结 本文首先详尽总结了国外燃料电池汽车的发展现状，及其商业化推广的预期进程。接下来通过与目前国内燃料电池及其在交通领域应用的比较，指出我国的燃料电池产业势头良好，并取得一些突破性进展，但从整体水平上讲还与发达国家有较大差距。 为迎头赶上，必须找到适合本国国情的最佳切人点，即从经济性，能效性和环境性能方面都是最合理的燃料链。所以本文又结合国外燃料电池氢源选择相关研究的结果，以及国内关于燃料电池氢源选择的863软课题的基本结论探讨适合我国国情的方案。 综合考虑3E性能及基础设施投资，研究认为甲醇和汽油车载制氢具有明显优势，应该被重点推荐；加注站制氢的纯氢车路线在演示车队的试行方面有一定的现实意义；而大型氢管道运输路线由于其过高的基础设施投资，在短期内不具备可行性。 最后，本文又根据前面的分析总结，对本国燃料电池汽车的技术发展和商业化进程作出预测，指出燃料电池汽车必将引发汽车产业的革命，并取代内燃机车成为主流。 |
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