《燃料电池汽车现状与发展趋势》毕业论文解读

宜宾职业技术学院

毕业论文

题目：燃料电池汽车现状与发展趋势

系部现代制造工程系

专业名称新能源汽车技术专业

班级新能源汽车 11201 班

姓名* *

学号201210388

指导教师王诗平

2014 年09 月25 日

浅析燃料电池汽车现状与发展趋势

摘要

随着汽车的发展，传统汽车工业的可持续发展面临着环境污染和能源短缺的双重压力。改变汽车动力系统已成为必然之势，而燃料电池汽车的发展则成为重中之重。本文从燃料电池汽车的研究背景入题，综合介绍了燃料电池系统和燃料电池汽车系统的组成与工作原理、国内外的技术现状、全面发展的优势和发展中所面临的问题以及对发展趋势的分析。

关键词：燃料电池；燃料电池汽车；汽车结构；节能环保

目录

1前言 (1)

2燃料电池汽车的结构原理 (3)

2.1 燃料电池系统的组成和工作原理 (4)

2.2 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 (6)

2.2.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统 (7)

2.2.2燃料电池混合动力汽车动力系统 (8)

2.3 典型的燃料电池汽车结构 (10)

3燃料电池汽车的现状分析 (15)

3.1 国外燃料电池汽车的现状 (15)

3.1.1 美洲燃料电池汽车的现状 (16)

3.1.2 欧洲燃料电池汽车的现状 (16)

3.1.3 亚洲燃料电池汽车的现状 (17)

3.2 我国燃料电池汽车的现状 (17)

3.3 国内外技术现状的对比分析 (19)

3.3.1 燃料电池汽车整车集成技术 (19)

3.3.2 燃料电池汽车发动机技术 (20)

3.3.3 高压储氢系统技术 (22)

3.4 燃料电池汽车与纯电动汽车的对比分析 (22)

4 燃料电池汽车发展趋势的分析 (23)

4.1 燃料电池汽车的发展优势 (23)

4.2 燃料电池汽车发展所面临的问题 (23)

4.3 燃料电池汽车的发展趋势 (24)

5 总结 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

1 前言

汽车工业在促进世界经济飞速发展和给人们提供便利的同时，又展现出了其双刃剑的另一面，它将能源与环境问题推到了日益尴尬的处境。“能源、环境和安全成为21世纪世界汽车工业发展的3大主题”。其中，能源与环境问题作为全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发展的症结所在，更成为重中之重。料电池电动汽车可以实现零污染排放和较高的能量转化效率，且噪音低，能源来源多样化，成为解决环境污染和能源问题的最佳方案之一。

传统汽车工业的可持续发展面临着解决环境污染和能源短缺的双重压力。

环境问题主要表现在空气污染。在南方许多城市，汽车尾气已经成为大气污染的首要污染源。研究表明，广州市空气污染的主要污染来源是：机动车尾气占22％、工业污染源占20.4％、建筑工地扬尘污染占19.2％，汽车尾气被市民评为“最不可忍受的污染物”。位列我国第一批环保模范城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染已占70％，每年排放的各种有害物质达20多万吨，并且还在以每年超过20％的速度上升。在北方城市中，近年来随着大量工厂的迁出和采暖结构的改善，工业污染、燃煤污染对城市污染的贡献率正大幅下降，而汽车污染的“座次”则均有不同程度的上升，已成为主要的污染源。老工业基地沈阳在黑烟囱日益消失的同时，汽车污染急剧上升，尾气所产生的污染物所占比例逐年增加。国家环保总局的一项报告说，在中国的大雾天气中，汽油造成的污染占79%。全世界空气污染最严重的20个城市中，就有16个在中国。严重的环境污染不仅导致高昂的经济成本和环境成本，而且对公众健康构成构成危害，是我国全面建设小康社会对环境的要求面临巨大挑战。由于大气状况严重恶化引起一系列异常的自然现象，如光化学反应、酸雨以及厄尔尼诺、城市热岛效应等，严重破坏和影响到人类耐以生存的地面生态系统。此外我国已经成为世界上CO2的排放大国，由此产生的国际政治和经济争端将会愈演愈烈。

能源问题的表现形式为现有能源供应体系对石化燃料的过度依赖。目前，全世界依赖最深的主要能源集中于第一位的石油以及占第二位。第三位的煤炭和天然气，而汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油的制成品。据IEA发布的《世界

能源展望2008》预测，从2006年至2030年世界一次能源需求从117.3亿吨油当量增长到了170.1多亿吨油当量，增长了45%，平均每年增长1.6%。全球能源需求的增长率比《世界能源展望2007》预测的要低一些，主要是由于全球能源价格上涨和经济增长放缓（特别是OECD国家）。到2030年化石燃料占世界一次能源构成的80%，比目前略低一些。虽然从绝对值上来看，煤炭需求的增长超过任何其它燃料，但石油仍是最主要的燃料。据估计，2006年城市的能源消耗达79 亿吨油当量，占全球能源总消耗量的三分之二，这一比例将会在2030年上升至四分之三。据预测，2025年的世界石油供应将比2001年增加4400万桶/天。产量的增加不仅来自OPEC国家，也来自非OPEC产油国。然而，总增加量中可能只有40%来自非OPEC国家。在过去20年中，非OPEC产油国的石油产量增加导致OPEC的市场占有率远远低于其历史最高市场份额1973年的52%。新的勘探和开采技术、工业成本降低、政府对厂商的财税优惠政策都有利于OPEC 产油国石油生产量的继续增加。未来20年中石油需求增加量中的60%将由OPEC成员国产量的增加来完成，而不是依靠非OPEC产油国。预计在2025年OPEC石油产量比其在2001年的产量高出2500万桶/天。一些分析家提出OPEC可能通过保留生产能力扩张的策略来追求价格继续攀升。

能源安全与环境保护已成为制约汽车工业可持续发展的重要因素，推动汽车能源动力系统转型、实施节能减排战略成为国际汽车工业面临的共同选择。

面对环境、能源的挑战，发展燃料电池电动汽车成为必然。燃料电池电动汽车以电动机为动力，用燃料电池作为能源转换装置，利用氢气作为燃料。与传统内燃机汽车相比，FCEV不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。国内外专家普遍认为燃料电池技术将成为21世纪汽车工业核心。国家863计划中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。

2 燃料电池汽车的结构原理

燃料电池汽车是一种节能、无污染、环保型汽车，是未来汽车发展的趋势。其关键技术燃料电池所具备的的优势，是内燃机所无法媲美的。随着近年来燃料电池的日趋成熟，燃料电池汽车的发展备受关注，世界各国政府和各大汽车厂商都纷纷投入巨资进行研究和开发。联合国发展计划署（UNDP）和全球环境基金（GEF）资助巴西的圣保罗、墨西哥的墨西哥城、中国北京和上海等大城市开张了燃料电池公交客车的运行示范工作，其目的在于促进燃料电池的商业化进程。美国能源部制定了“氢计划”，投入30亿美元用于开发氢燃料技术，并将燃料电池汽车产业化。政府还会对使用燃料电池汽车的用户给予一定的补贴，并减少用户纳税额。日本的发展目标是，要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油机的水平，并且开始从政府部门开始普及燃料电池汽车。同时，政府为了5年在该计划上的预算为8800万美元，预计到2020年，政府共投资40亿美元。欧盟也制定了氢能发展策略，拨专款用于氢能和燃料电池的开发，欧洲数十个城市已经开始燃料电池公共汽车商业化载客示范运行。各大汽车厂商也都在从事燃料电池汽车的研发工作，并先后推出了各自的新型燃料电池汽车。我国也在积极开展对燃料电池汽车额研究和开发。“十五”期间，燃料电池及其关键技术的研究和样车开发，被列入国家“863”

电动车重大专项中，予以重

点资助。中科院大连化学物

理研究所、同济大学、上汽

集团、二汽集团等都在积极

地研究和开发燃料电池汽

车，并已经取得一定的成果。

燃料电池汽车内部结构如图

2-1所示。

图2-1 燃料电池汽车内部结构示意图

2.1 燃料电池系统的组成和工作原理

燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转化为电能的“发电装置”，是化学反应的发生器。燃料电池的反应机理是将燃料电池中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化学反应过程中的燃料和氧化剂。图2-2所示为燃料电池电化学反应原理示意图。

其反应过程如下：

图2-2 燃料电池原理示意图

（1）氢气通过管道或导气板到达阳极。

（2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢原子，并且释放出两个电子，阳极反应为

H2→2H++2e-

（3）在电池的另一端，氧气（或者空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。

（4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为

O2+2H++2e-→H2O

总的化学反应为