随着燃料动力电池汽车产业壮大对新能源发展进行战略研究

1概述

随着世界汽车工业的不断发展壮大,汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突出,汽车工业已成为现代经济支柱产业之一,并对世界经济的发展和社会的进步出现巨大的用途和深远的影响。

燃料动力电池发电是继水力、火力和核能发电等之后的新一代发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效持续发电装置。因这种装置的基本原理是原电池反应而不涉及到燃烧,因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制,理论效率可达90%,实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外,它还具有燃料多样性、噪音低、对环境污染小、可靠性与维修性好等优点。燃料动力电池作为新一代汽车动力源,已被世界各大工业国视为战略产品。

氢被称为“21世纪的能源”,是今后世界、也是我国解决面对的能源危机的一条重要途径。科学家和社会学家预言,下一次工业革命将从氢能源开始,现在全世界的科学家都在积极寻求一种既清洁又无污染的能源,氢是科学家们看好的最理想的燃料。随着以氢为重要燃料的燃料动力电池技术和产品不断发展,并逐步进入推广和应用阶段。世界各重要国家都已认识到氢燃料动力电池技术潜在的巨大市场,纷纷斥巨资进行技术开发,扩大应用领域,氢燃料动力电池技术将给人类社会的建设和发展带来积极影响。

我国对发展燃料动力电池汽车产业高度重视,已出台了一系列计划和政策。科技部已将燃料动力电池汽车列入“十五”期间的“863”关键高科技攻关项目之一。研发燃料动力电池汽车,用高新技术改造传统汽车工业,实现我国汽车工业的跨越发展,目前已面对着极佳的机遇。

2国内外研究现状

2.1国外发展状况

20世纪90年代以来,燃料动力电池技术在全球的开发活动异常活跃。以日本、美国和欧盟为代表的重要国家和地区,特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等重要汽车厂商根据本国和公司的实际情况,先后采取了不同的新能源汽车技术发展策略,研发成功了多款新能源概念车型和应用车型,其中一些成熟的技术已经成功实现了产业化。

当前,世界20多个国家的1000多家公司和机构正投入巨资加紧进行燃料动力电池技术和产品的研究与商业化工作。截至2005年十二月,已有14500多个燃料动力电池系统安装在世界各地,分布于不同的应用领域。图1为《FuelCellToday》网络杂志2005年底对全球燃料动力电池安装数量所做的一个调查结果。图2为2005年不同技术类型的燃料动力电池安装数量比例饼图。

日本在混合动力汽车方面技术最为先进;美国将新能源汽车研发重点放在氢能和燃料动力电池汽车,同时大力推动生物燃料汽车的产业化。美国加州已颁布的汽车排放法规要求在2003年加州出售的所有汽车中,零排放车的数量必须占到10%;欧洲在混合动力、纯电动汽车、氢能和燃料动力电池汽车方面都有设计,在产业化领域也大力推广生物燃料汽车;巴西在生物燃料汽车应用方面处于世界领先水平,是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一;挪威和加拿大积极发展氢能源,提出了建设“氢高速公路”计划,并已经取得了重要进展。

按现在的发展速度看,燃料动力电池电动汽车批量生产阶段越来越近,本世纪可提前实现燃料动力电池汽车商业化。预计到2010年,燃料动力电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时美国市场上以燃料动力电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额,日本和西欧燃料动力电池汽车将分别占市场份额的15%和17%。到2020年,燃料动力电池汽车将占世界汽车市场的25%。

2.2国内发展状况

我国新能源汽车总体上起步较晚,与世界先进水平存在较大差距,但在部分领域也处于较为先进的水平。目前我国在混合动力、氢能和燃料动力电池汽车方面远远落后于世界先进水平,没有在关键技术研发领域取得重要突破。在纯电动汽车和二甲醚汽车方面,我国已经成功研发一系列轿车和客车产品,并进行了示范运行和产业化发展尝试,步入了国际领先行列。

我国在产业政策制定方面起步也较晚,从2001年起,为维护我国能源安全,改善大气环境,提高加入WTO后我国汽车工业的竞争力,经过多方论证和广泛征求意见,我国科技部在“十五”国家863计划中启动了国家、地方和公司配套资金合计约16亿元人民币的电动汽车重大科技专项。尽管从目前来看我国产业政策的绩效尚难以评估,但是与美国、欧盟和日本等发达国家的产业政策相比较,我国新能源汽车产业政策仍存在很大的改进空间。

3新能源汽车技术

随着石油资源逐渐短缺,扭转目前以石油为主的能源利用格局,实现能源多样化成为未来汽车工业发展的趋势。世界各国政府已清醒地认识到这一点,纷纷拨款用于技术开发,并制定了相应的产业计划。各大汽车公司和相关公司、科研机构都加大了研发投入,加紧研究开发,并纷纷推出了一些具有先进技术的代表车型,其中涉及燃料动力电池电动汽车混合动力电动汽车以及其他生物能源汽车。尤其是自2004年年初,原油价格的一路狂飙使成品油价格随之上涨,很多汽车行业专家纷纷表示,高油价正在为更环保、更省油的新能源汽车带来一个千载难逢的发展契机,世界汽车工业有望从此加速摆脱对石油的依赖和对环境造成的严重污染,从而进入一个清洁能源时代。

3.1燃料动力电池汽车

燃料动力电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50%～80%)、环境友好地转化为电能的发电装置。燃料动力电池具有其他能量发生装置不可比拟的优越性:能量转换效率高;高可靠性;良好的环境效益。

燃料动力电池汽车所使用的燃料包括氢、甲醇、汽油和柴油。通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料动力电池出现动力的零排放概念车“氢动一号”,该车加速快、操作灵活,从0～100km加速仅16秒,最高时速可达140km,续驰里程400km。空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商,其供氢站已经可为氢燃料动力电池汽车供应24～34Mpa的液氢。由于氢燃料动力电池具有零排放等其他燃料不具备的优点,目前研究的重点重要是氢燃料动力电池。

与传统内燃机汽车和混合动力汽车相比,燃料动力电池汽车具有无污染、“零排放”、高能量效率、低噪音、良好的动力及操控系统等优点。

3.2混合动力汽车

经过10多年的发展,混合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是传统内燃机汽车与电动汽车相结合的产物,它继承了电动汽车低排放的优点,又发挥了石油燃料高的比能量和比功率的优点,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性,新增了电动汽车的续驶里程,在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着重要的角色。

电池是混合动力汽车的关键部件之一。目前HEV电池的主流产品是镍氢电池,重要的生产厂商是日本三洋和松下公司,美国的生产厂商Eobasys,JohnsonControlSAFT等公司也先后加入到镍氢电池的研发和销售。镍氢电池具有高能量、高功率、长寿命、较好的高低温性能、比较容易进行串并联组合等特点,目前大部分商业化的HEV基本都是采用镍氢电池。锂离子电池目前尚处于研究改进和使用阶段,其重要优势在于具有较高的比能量,可以使电池做得更小、更轻;具有较好的充放电效率和低的自放电率,可以提高电池的能量效率,具有较大的潜在降价空间。

3.3其他能源汽车

使用醇类作为能源的汽车重要是乙醇汽车,乙醇汽车使用的燃料是乙醇汽油。乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维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质量,降低一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等重要污染物的排放,而且它对机动车的行驶性能也没有影响。

戴姆勒克莱斯勒公司推出的NECAR5汽车堪称是燃料动力电池技术的里程碑。这种燃料动力电池动力汽车在美国已完成了4831km行车试验。NECAR5是戴姆勒-克莱斯勒公司开发的第5代燃料动力电池汽车,由Ballard燃料动力电池驱动系统带动,该系统包括车载甲醇转化器,转化器从液体甲醇抽取氢气驱动燃料动力电池。在穿越美国的行车试验中,汽车每行驶48311km,用克莱斯勒分配器配给的甲醇补加一次燃料。

生物柴油是指利用植物油和动物脂肪等可再生的资源与甲醇的进行酷交换而形成的长链脂肪酸甲脂混合物,是一种可以部分替代石油柴油的新型液体燃料。目前使用的“清洁柴油”是生物柴油与普通(石油)柴油不同比例的混合燃料。生物柴油作为汽车燃料具有可再生性、环境友好性和优良的可替代性等突出优势。