我国氢燃料电池汽车研发论文终稿.docx

我国氢燃料电池汽车研发论文终稿.docx

《我国氢燃料电池汽车研发论文终稿.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《我国氢燃料电池汽车研发论文终稿.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

我国氢燃料电池汽车研发论文终稿

本科毕业论文

题目名称：

我国氢燃料电池汽车研发

现状及发展趋势预测

学院：

专业年级：

学生姓名：

班级学号：

指导教师：

二XXX年六月九日

摘要

石油资源的短缺和出于环境保护的需要，应大力开发石油以外的汽车代用清洁能源。

氢燃料电池汽车是集高效、清洁于一身的代用石油燃料汽车，为保护自然环境和减少石油资源的消耗，从政府到产业界以及学术界都积极地对氢燃料电池汽车进行研究、开发，以加快氢燃料电池汽车的实用化。

作为一种清洁、高效的发电技术，氢燃料电池有望成为下一代的车辆动力装置。

氢燃料电池电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车及信息技术等多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，随着机电技术、计算机控制技术、电化学技术及材料技术的迅速发展，氢燃料电池汽车在研制、开发、产业化及商业化方面将会取得突破性进展。

在不久的将来，氢燃料电池汽车将成为主流技术，成为21世纪的绿色交通工具。

关键词：

氢燃料电池汽车；现状分析；前景预测

Abstract

Becauseoftheshortageofoilresourcesandtheneedforenvironmentalprotection,shoulddevotemajoreffortstoexploitthevehicle’ssubstitutecleanenergybesidesofoil.Hydrogenfuel-cellvehiclewithishighlyefficientandcleanhasbeenonekindofthealternative-fuelvehicles,toprotectthenaturalenvironmentandtoreducetheconsumptionoftheoilresource,manyfieldsfromgovernmenttoindustryaswellasacademicfieldareactiveintheresearchanddevelopmentontheHydrogenfuel-cellvehiclewhichcanspeeduptheutilizationoftheHydrogenfuel-cellvehicle.Asacleanandhighlyefficientpowergenerationtechnology,theHydrogenfuel-cellvehicleisexpectedtobethevehicle’spowerequipmentinthenextgeneration.TheHydrogenfuel-cellandelectricvehiclewhichintegratesmanykindofhigh-techincludingmachinery,electronics,energy,computers,automobilesandInformationTechnologyisatypicalhigh-techproduct,withtherapiddevelopmentofmechanicalandelectricaltechnology,computer-controlledtechnology,electricalchemistrytechnologyandmaterialtechnology,theHydrogenfuel-cellvehiclewillmakebreakthroughprogressinmanyrespects,suchasmanufacture,development,industrializationandcommercialization,etc.Inthenearfuture,theHydrogenfuel-cellvehiclewillbecomethemaintrendtechnologyandthegreentraffictoolinthe21stcentury.

Keywords:

hydrogenfuel-cellvehicles;statusanalysis;forecast

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。

打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行

1绪论

1.1课题来源

由指导老师结合我国氢燃料电池汽车研发现状及应用情况进行专题论述类课题。

1.2课题研究的意义

为满足石油资源短缺和环境保护的需要，在战略上应加快汽车代用能源的开发、使用。

应大力发展石油以外的汽车代用清洁能源，降低能源消耗，减少环境污染。

1.3国内外研究概况

氢燃料电池汽车其高效节能，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，现已进入商业化阶段。

通用hydrogen3氢动力燃料电池原型车来到英国伦敦，开始穿越欧洲14国的行动，行程6200英里（约合10000公里），历时月余到达终点里斯本，创造新的氢燃料电池车长距离行驶耐久性世界纪录。

通用又推出搭载汽油引擎和氢燃料电池引擎的E-Flex车型，尝试推出一款搭载超节能柴油引擎的E-Flex车型，该车型所配备的E-Flex系统包含一具电动马达，可为车轮提供驱动力。

欧宝的全新Corsa 1.3L CDTI，该车型每公里的二氧化碳排放量仅有119克，该车型采用一套共轨柴油涡轮增压喷射系统，在1800巴的喷射压力下可把燃料喷射进燃烧室内。

我国的氢燃料电池尤其在PEMFC（质子交换膜燃料电池protonexchangemembranefuelcell）方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小。

在国家科技部的支持下，我国氢燃料电池汽车取得长足进展，已研制出具有自主知识产权的氢燃料电池大客车、小轿车、自行车和助力车等。

最新的氢燃料电池大客车造价已经下降到300万人民币，不到国外同类产品价格的五分之一，初具竞争力；我国自行研制的“超越3号”氢燃料电池小轿车，在巴黎举行的“清洁能源汽车挑战赛”中，取得了4“A”、1“B”的优异成绩，并完成了120公里的拉力赛，引人瞩目；2008年北京奥运会期间，我国自制的氢燃料电池汽车将参与服务运营。

1.4本文研究内容

我国燃料电池汽车研究现状，各主要科研院所及各大公司研究到什么程度；氢燃料电池的研究现状，工作原理及发展方向；对氢燃料电池汽车的前景预测。

2我国氢燃料电池汽车的研究现状及需要解决的主要问题

2.1氢燃料电池

目前已开发的燃料电池有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体高分子型燃料电池（PEMFC—质子交换膜电池）、熔态碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）。

其主要性能和特点见表l。

表1汽车用燃料电池特点

类型

工作温度

电解质

导电离子

燃料气体

碱型

R．T．—250

KOH

氢/氧

固体高分子型

R．T．—120

高分子膜

改质气体/空气

磷酸型

160—210

改质气体/空气

熔融碳酸型

600—700

+

改质气体/空气

固体氧化物型

900—1000

改质气体/空气

对比上表中的各种汽车用燃料电池的特点，可看出碱性电池组成材料比较廉价，但是由于改质气体和空气中CO2产生的会引起电解质劣化，因此在短时间内必须定期更换电解液；磷酸型可以在200℃以上高温条件下使用，减小了改质气体中的CO对电极催化剂中毒的影响，缺点是车辆反复起动、停止及轻负荷运行时工作不良；固体氧化物型能在1000℃的高温下运行，可以直接使用含硫汽油燃料，但在车辆起动和负荷变化过程中会引起“热震性”；固体高分子型（质子交换膜燃料电池）在常温状态下运行，起动、停止容易，而且功率密度高、重量轻、体积小，电解质能产生高分子膜，耐反应气体压差，工作中的电解质不易流出，为免维护电池，是最适合作为氢燃料电池汽车使用。

氢燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质，其阳极为氢电极，阴极为氧电极。

通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。

两极之间是电解质，其电解质有酸性和碱性两种。

电解液为酸性时，阳极的氢分解为氢离子和电子，氢离子在电场作用下通过电解质到达阴极，氧气接受电子形成氧离子然后与氢离子发生化学反应，形成燃料电池的排放物—水；电解质为碱性时，反应路线相反，燃料与氧化物的反应在阳极。

氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：

干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。

另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。

20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。

进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

由于我国氢燃料电池还没有商业化，技术上还有很多问题待解决，现在提到的用于氢燃料电池汽车上的多数是指质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC）是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。

其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。

工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。

当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。

以阳极为参考时，阴极电位为1.23V，也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。

接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。

将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆（简称电堆）。

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。

将双极板与膜电极三合一组件（MEA）交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。

通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。

质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。

电堆是发电系统的核心。

发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器（加湿、升温）后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。

电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气（空气）流带出。

未反应的（过量的）氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。

质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。

经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。

由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，所以被公认为氢燃料电池汽车的首选能源。

2.2我国氢燃料电池汽车的研究现状

能源是支撑社会经济发展的物质基础。

目前人类处于以石油、煤炭、天然气等化石燃料为主的“碳氢经济”时代，经济的运行和增长与这些能源发生着直接和间接的关系。

然而，化石能源是一种有限的、不可再生的资源。

对化石能源的过度依赖和使用，使人类社会面临化石能源枯竭的巨大挑战。

同时，化石燃料的使用带来严重的环境污染，导致了温室效应的产生和酸雨的形成，严重威胁着人类的健康和生存。

因此，开发和利用来源广泛且清洁、高效的新能源已刻不容缓。

氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输，以及来源广泛等优点，被视为最理想的能源载体。

从经济性、技术性、机动性及环境方面等综合因素考虑，氢能是未来最有可能替代化石燃料的动力燃料。

氢能和可再生能源结合在一起，将形成一个完全可再生的完整的能源系统，基于这个能源系统上的经济活动就是“氢经济”。

交通运输业是经济和社会发展的基础性产业，同时也是能源消耗和污染排放的“大户”。

面对严峻的能源和环境挑战，交通动力能源转型已成为全球共识。

国内外专家普遍认为：

2020年起，以多种能源为基础的氢燃料将逐步上升为主导型燃料。

与此相对应，汽车动力将逐步由内燃机动力、混合动力转变为氢能燃料电池动力。

节能与新能源汽车发展的路线问题一直受到业内广泛关注，也有很多不同意见。

陈一文先生了发表题为《“氢能源”、“氢经济”将造成最为严重的大气“氧气枯竭”过程》一文，语出惊人。

他对“氢经济”提出质疑。

“这个问题的核心是∶传统矿物燃料的过量燃烧造成的全球“温室效应”与“氧气枯竭”中哪个造成对人类基本生存环境的首位最大恶果，是“全球温室效应”及其导致的全球气候异常，还是世界绝大多数科学界人士、政府官员、企业界人士、气象学家和环保人士未能认识或正视的大气“氧气枯竭”问题！

”由26位专家联名“上书”的《开发车用动力技术、尽快减轻交通能源压力的建议》（下称《建议》），提出了慎重发展氢燃料汽车的意见，将争论推向高潮。

《建议》质疑中国的氢能源技术研究，认为中国汽车工业要发展应当努力提升传统的内燃机技术，而不应将宝押在技术难度大、前景亦不明朗的氢燃料电池汽车身上。

《建议》中提出的质疑被“十一五”863计划“节能与新能源汽车项目”总体专家组成员、氢能源汽车技术的重要研发基地之一同济大学汽车学院的院长余卓平教授做了一一回应。

质疑一：

国家投入大量资金用与氢能源建设。

回应：

国家投入在氢能源技术开发中的资金不是太多而是太少。

余卓平说，“十一五”863计划“节能与新能源汽车项目”中，中央政府投入约为11亿元，而且这里面也只有一部分用于氢燃料电池汽车的研发，这与通用汽车在氢能源技术研发一投就是上百亿的资金相比，其实是微不足道的。

而对于内燃机技术的改进，国家也有相应的拨款；同时应该指出的是，由于目前汽车发动机还是主要依靠燃油技术，一汽、上汽、东风、奇瑞、华晨、长安、吉利等各大企业每年投入在内燃机技术上的资金都超过十个亿——这几百亿的数字（其中绝大部分是国有企业的投资）已经远远超过投在氢能源技术的资金。

因此，不论与外国公司、还是与内燃机技术的投资相比，国家用于氢能源技术开发中的资金不是太多而是太少了。

质疑二：

氢能源技术难度大、发展前景不明朗。

回应：

氢燃料电池汽车是全球认同的最终发展方向。

面对世界石油枯竭的危机，各国在寻找替代性能源的道路上都有不同的侧重，但各跨国集团都将最终的方向集中在氢燃料电池汽车上，这是一个不争的事实。

目前，轨道交通已经很好地实现了电力化驱动，公路车辆的发展也在逐步展现曙光：

同济大学联合上汽开发的三代“超越”系列燃料电池车得到了许多国际赛事的认可，而且还将此动力系统搭载在“荣威”轿车上诞生了“上海牌”氢燃料电池汽车，而第四代燃料电池轿车也将在奥运会上亮相。

而这一切的实现仅仅用了七年的时间，足见氢能源技术的突破可谓神速。

至于26位专家提到的“氢能源技术能否最终实现还要经过50年甚至100年的时间，余卓平称：

50年的预计已经是2001年我们最初研究氢能源技术的估计了，现在全球统一的认识是在2015年到2020年左右实现氢燃料电池的商业化。

当然，商业化并不代表大规模产业化的实现，就像混合动力车经过十年的商业化发展也不过只有100万辆，远远没有取代传统的内燃机车，所以，氢燃料电池汽车成为主流的道路也会需要很长的时间。

质疑三：

国家押宝氢能源技术将对民族汽车工业造成巨大伤害。

回应：

发展氢能源技术将是中国跻身汽车强国的最优策略。

由于对氢燃料电池汽车前景的忧虑，26位专家认为国家投入大量财力、人力、物力在氢能源研发上，将对本就落后和薄弱的中国汽车工业造成巨大伤害。

对此，余卓平教授指出：

国家并没有将汽车工业押宝在氢能源上，也同时非常重视内燃机技术在节能减耗方面的发展，只不过在发展趋势上更看好氢燃料电池汽车。

到底是集中力量瞄准一条主要路线走下去，还是兼顾多条路线共同发展？

是将重点放在眼前容易实现的技术提升，还是加大力量着手于未来前沿技术的突破？

尽管关于节能与新能源汽车发展的争论一直在继续，国内相关企业和研究机构却从来没有停止节能与新能源汽车的研发工作。

多数专家认为，以石油为原料的燃料是迄今为止最理想的车用燃料，并且在相当长时间内仍然是主要的车用燃料，汽车工业应当将主要精力投入先进的内燃机技术研发，并逐步增加柴油乘用车的比例。

一方面，在柴油机汽车开发和推广上，我国商用车基本实现了柴油化，相关的增压、高压共轨、电子喷射等技术得到广泛应用；另一方面，新能源汽车的研发同样成绩喜人，现在，长安、奇瑞、比亚迪、一汽、东风等企业都在进行混合动力汽车的研发和投产工作。

在电动车领域，动力电池技术水平的提升，为我国电动汽车的发展提供了重要条件。

小型电动汽车初显市场潜力，纯电动公交车将在2008北京奥运会上投入使用，大功率电动汽车的商业化运行也在逐步推进。

氢燃料电池汽车在国内外仍然处于产业化初期准备阶段，尚未形成新的工业体系。

在科技部的支持下，我国氢燃料电池车取得长足进展，已研制出具有自主知识产权的燃料电池大客车、小轿车、自行车和助力车等。

随着氢燃料电池车研发的推进，产业化的曙光也渐渐展现，国家标准制定工作也正在进行。

2006年3月开始氢燃料电池汽车国家标准的前期研讨工作，氢燃料电池汽车国家标准的编制工作使我国氢燃料电池车从起步阶段实现“标准先行”，做到有规可循，有法可依，为氢燃料电池汽车产业化和今后商业化、大批量推广应用提供重要保障。

预计很快就能形成《燃料电池汽车整车术语》和《燃料电池汽车整车安全要求》的征求意见稿，再向全行业征求意见后，最终确定这两项技术标准，这两项技术标准预计在2008年完成。

整车术语和整车安全要求是最为基础也是最为重要的两项标准，前者能够为燃料电池车产业统一各类叫法和名称；后者则提出整车安全性要求，对涉及燃料电池汽车整车安全的零部件、系统件及整车运行中相关安全要求的所有技术参数进行定义和验证。

《燃料电池汽车整车术语》主要的包括以下几方面：

涉及到整车、配套件、其它关键部件及基础设施接口。

燃料电池电动汽车安全类项目主要内容：

车载能源装置的安全要求、运行操作安全要求及漏电和人员防触电等要求。

燃料电池电动汽车燃料系统安全要求为储存或处理燃料或其他有害物质的系统提供标准规范，主要针对燃料储存装置，燃料处理过程，燃料电池堆等提出要求。

上海是我国氢燃料电池轿车的研发基地，自从2001年“十五”重大科技专项中的燃料电池轿车项目落户之后，上海同济大学相继研发出超越一号、超越二号、超越三号系列氢燃料电池车，其中最为先进的“超越三号”是由同济大学、上海燃料电池汽车动力系统有限公司和上汽集团共同研发的。

在参加第八届“比比登清洁能源汽车挑战赛”时表现抢眼，此次挑战赛也证明了氢燃料电池汽车动力平台结构的可行性。

使用现有车型配置燃料电池动力平台，同样可以满足驾驶平顺性、操纵稳定性和舒适性的技术指标，这样可以降低开发和推广燃料电池汽车的成本，也有利于国家支持的核心技术向企业扩展传输。

通过测试数据对比分析，“超越三号”在系统结构上具有4个明显技术特征。

所有其他参赛车辆都装载了80千瓦以上的燃料电池，而“超越三号”的燃料电池系统仅45千瓦，突出的燃料经济性证明了“超越三号”电—电混合动力系统技术路线的优越性，特别是使用的锂离子电池和永磁电机性能优秀，在动能回收方面效率很高，瞬时助力功能较强，弥补了燃料电池的不足，提高燃料经济性；“超越三号”优异的综合成绩证明了分布式电子控制系统的系统优化性能，目前的控制系统可以保证在动态范围内燃料电池系统处于最佳效率区域，从而保证了系统的高效稳定性能；在参赛车辆中，“超越三号”是唯一的可以使用纯度为4个9氢气（氢含量99.99%）的系统，其他车辆均要求5个9的氢气，赛事供应氢气的成本远高于“超越三号”在上海示范运行使用氢气的成本，这证明了我们使用工业副产氢气的经济性；“超越三号”远渡重洋参加挑战赛，不仅向世界展示了中国燃料电池汽车的研发实力，也经受住了长途跋涉的考验，途中温差超过50℃，“超越三号”经受了温差和长时间搁置的考验，开仓检查电池荷电态保持在40%左右，加注氢气后即可运行，其他参赛的燃料电池汽车都采用空运或近距离陆运，他们对我们安全海运的技术措施十分关注，此次海运为燃料电池汽车整车包装、安全、防护和恢复措施等积累了丰富的经验。

由东风汽车公司和武汉理工大学联手研制完成的“楚天一号”，是东风汽车公司出资1000万元，武汉理工大学整合学校技术资源攻关，经过两年多的努力，由爱丽舍轿车改装的氢燃料电池电动汽车，这是继上海研制的“超越号”之后，我国研发成功的第二台燃料电池轿车型样车，这标志着我国氢燃料电池汽车技术研发成功。

两单位以武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室和该校汽车工程学院为基地，研发“25kW燃料电池轿车”，所研制的25kW氢燃料电池发动机在上海同济大学国家定点的实验平台，经全面测试，主要性能指标均达到设计要求，所研制的“楚天一号”燃料汽车轿车也经过600公里的运行试验，汽车运行性能良好。

“楚天一号”具有完全独立的自主知识产权，其整车达到国内先进水平，与国际水平同步。

专家们建议加快氢燃料电池电动车产业化进程，尽快将氢燃料电池电动车技术转化为现实生产力。

在氢燃料电池客车研发方面，2002年初，清华大学作为牵头单位,与东风汽车公司、北京客车总厂等五家单位组成了总体组，承担国家“十五”863计划燃料电池城市客车研制项目。

我国由政府投入资金已经自主研发出了燃料电池大客车。

目前，国内最新的氢燃料电池客车最大速度达到90公里/小时，一次加氢最大行驶里程达到300公里，发动机输出功率达到100kW，这与国际领先水平相比还有较大差距。

国外的燃料电池大客车价格很高，为了促进我国政策的制定和相关标准法规的建立，建议我国的燃料电池大客车也能加入到示范运行的行列中。

在发动机、整车控制技术方面,国内的水平尽管与国际领先水平有差距,但这不是发展氢燃料电池客车最主要的困难，关键的问题还在于氢燃料电池和动力电池的寿命问题。

国内目前的氢燃料电池的稳定寿命还在2000小时左右，大大低于国际的7000～8000小时。

动力电池的使用寿命不到2年时间，而日本最先进的是3至5年。

因此，我们今后的任务还很重。

2.3商业化应用需要解决的主要问题

目前国际上氢燃料电池技术已发展到较高水平，要实现燃料电池汽车的商业化，主要问题就是解决氢源问题和降低成本，而氢源技术已成为氢燃料电池汽车商业化的技术瓶颈。

车用氢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。

而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都是争论的焦点。

目前，我国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，即从环境、能