在這個“狼多肉少”的汽車界，大部分老司機們大學的時候班上木有妹子，工作后還是木有，所以漫談君我總是在開頭給大家發發福利，這次就給大家派送下面這位小姐姐了，以彌補“資源短缺”的無賴和缺憾。說到汽車界妹子的“資源枯竭”，又讓我想到了石油資源枯竭，這是真Dan痛的事，大家都在想各種各樣的能源解決方法，其中有一個很火的資源是燃料動力鋰電池，這是可再生的能源。

一、什么是汽車燃料動力鋰電池

燃料動力鋰電池是一種新型的無污染、無噪音、高效率、大功率的汽車動力以及發電設備。燃料動力鋰電池是一種將持續供給的燃料和氧化劑中的化學能持續不斷地直接轉化為電能的電化學裝置。燃料動力鋰電池作為一種環保節能新能源，深受人們的重視。

燃料動力鋰電池（fullCell）在原理和結構上和普通電池（battery）完全不同。燃料動力鋰電池的活性物質是存儲在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質一旦消耗完，電池的壽命就終止。

二、燃料動力鋰電池的優點

在實踐中發現，燃料動力鋰電池具有一定的優點：

1.燃料動力鋰電池在工作過程中不受熱機效率的限制，其能量轉換效率相對較高。

在理論上來說，其發電效率可以達到百分之百。假如將氫氣作為重要燃料，熔融碳酸鹽燃料動力鋰電池在應用中的實際效率高達58.4%。利用熱電聯產以及聯合循環綜合等形式對電能進行使用，燃料動力鋰電池的整體熱效率可以高達80%以上。燃料動力鋰電池發電效率與使用規模并沒有太大的關系，一些小型設備也可以達到一定的高效率。

2.無污染，噪音低，是一種綠色新能源。

3.在熱備用狀態之下，其負荷變化能力相對較強，在每秒鐘可以基于50%的負荷展開相應的變化。

4.燃料動力鋰電池的存儲能力與自身體積的大小沒有關系。

5.具有高度的靈活性，在操作中可以根據具體的需求進行定制，可以組裝成不同模式的發電裝置，在各種場合均可以應用。

6.燃料使用范圍較為廣闊，基于燃料重整器以及相關燃料動力鋰電池、電堆組成的燃料動力鋰電池電站可以通過各種氣態化石燃料（天然氣，LPG等），液態化石燃料（柴油，甲醇等）供應供給。

三、燃料動力鋰電池的工作原理

燃料動力鋰電池在應用過程中，重要利用各種燃料以及氧化劑電化學反應等出現各種電能以及副熱能。其中FC重要是通過燃料電極的負極以及氧化劑電極的正極與電解質共同構成的，電解質的用途就是對兩個電極進行隔離，燃料以及氧化劑在燃料電極以及氧化劑的電極中進入到電池內部；在燃料動力鋰電池工作中燃料的負極處會發生一定的氧化反應，而氧化劑在正極的接觸處會發生一定的還原反應。

也就是說，在外電路會出現一定的電位差，引起電子的外電路流動的出現，進而造成一定的低壓直流電。在電池內部的電荷載體通過電解質完成相關工作，進而出現一定的水和二氧化碳。假如持續保持燃料供給，電池就會保持持續發電。

四、燃料動力鋰電池的重要分類

現階段重要應用的燃料動力鋰電池類型重要有：

1磷酸類別的燃料動力鋰電池

磷酸類別的燃料動力鋰電池（PAFC）是一種相對完善的民用技術電池。重要是通過H2以及鈷含量小于0.1%的組成作為重要燃料，其中空氣作為氧化劑，電解質重要是通過磷酸溶液以及電解質機體構成的其中電極是通過催化劑鉑系金屬與碳黑載體共同組成的。PAFC在工作過程中的溫度在200℃左右，其發電效率約為40%左右。此種燃料動力鋰電池的余熱利用價值相對較低，且啟動時間相對較長，無法作為移動電力電源。

2熔融碳酸鹽類別的燃料動力鋰電池

熔融碳酸鹽類別的燃料動力鋰電池（MCFC）是一種高溫燃料動力鋰電池，實際的工作溫度為600～700℃。通過一些多孔金屬陽極、多孔氧化物的陰極、電解質板以及導電雙極板等共同組成。重要燃料為H2、煤氣或天然氣，其氧化劑為氧氣或者空氣以及CO2的混合氣體其中電解質是熔融碳酸鹽Li2CO3－K2CO3，在電極反應中的相關載荷子為CO3-。

因為MCFC的工作溫度相對較高，其余熱有一定的利用空間。同時，因為其可以用于容量相對較大的中心電站，也可以進行火力發電并行以及取代火力發電的發展可能。

3固體氧化物類別的燃料動力鋰電池

固體氧化物類別的燃料動力鋰電池（SOFC）重要基于氧化釔為穩定化的氧為電解質，其中鍶摻雜的錳酸鑭作為其氧化劑電極，鎳電解質作為陽極的一種全固態陶瓷結構。

4質子交換膜類別的燃料動力鋰電池

質子交換膜類別的燃料動力鋰電池（PEMFC）被稱為第五代新型燃料動力鋰電池,相有關其他類別的燃料動力鋰電池來說，其工作溫度相對較低，其啟動速度、比能、使用壽命與應用等都具有一定的優勢，發展相對較為迅速，質子交換膜型燃料動力鋰電池基于全氟磺酸型固體聚合物作為電解質，其中將Pt/C或者Pt-Ru/C作為一種電催化劑，H2以及相關凈化重整氣作為重要燃料，將空氣或者純氧作為氧化劑。

基于質子交換膜燃料為主的電池作為重要動力的電動汽車已經取得一定的研究成果，其性能可以與傳統的內燃機相比，但是售價相對較高，這種燃料動力鋰電池電動汽車是美國政府以及相關大汽車公司未來發展的重點。

五、燃料動力鋰電池結構及反應

燃料動力鋰電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，通過電化學反應轉化為電能的裝置。每個燃料動力鋰電池單體由膜電極（包括質子交換膜、陰極擴散層、陽極擴散層、陰極催化劑層、陽極催化劑層）、集流板組成，結構如下圖所示：

下面以氫-氧燃料動力鋰電池為例，介紹燃料動力鋰電池電化學反應步驟：經增濕后的氫氣和氧氣分別進入陽極室和陰極室，經氣體電極擴散層擴散，到達催化層與質子交換膜的界面，分別在催化劑用途下發生氧化和還原反應。陽極的催化劑將氫分子電離，生成氫離子（H+），氫離子透過質子交換膜到達陰極，與氧結合，生成水；同時，陽極反應生成的電子，通過外部電路形成電流，到達陰極。

其反應的機理可以用方程式來表示：

與其它類型的燃料動力鋰電池相比，PEMFC效率高、結構緊湊、重量輕、比功率高、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，工作溫度低，大約是80～90℃,可用甲醇、汽油等碳氫化合物重整氣,功率密度已達1310W/L，明顯高于其它類型的燃料動力鋰電池，是燃料動力鋰電池電動汽車動力源的首選。

六、使用各種燃料動力鋰電池的電動汽車

2001年以來，在世界范圍內燃料動力鋰電池技術已經取得了重大的進展。在開發燃料動力鋰電池汽車中仍然存在著技術性挑戰，如燃料動力鋰電池組的一體化，提高商業化電動汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進步。

1以氫為燃料的燃料動力鋰電池電動汽車

1）氫燃料的優點

根據氫-氧燃料動力鋰電池的反應機理可知，使用氫燃料的燃料動力鋰電池電動汽車實現了真正意義的零排放，無污染；該類型的燃料不要重整過程，故此以氫為燃料的燃料動力鋰電池的效率最高。

下圖為燃料動力鋰電池系統效率隨功率變化曲線：

由于氫-氧燃料動力鋰電池系統不要重整設備，降低了燃料動力鋰電池系統的重量、體積、制造成本及結構的復雜性；從長遠來看，氫是燃料動力鋰電池燃料的最佳選擇。

以氫為燃料的燃料動力鋰電池電動汽車具有許多優點，但是氫的供給設施、隨車儲存、安全性等問題是以氫為燃料的燃料動力鋰電池電動汽車推廣應用的障礙。

2）直接使用車載氫燃料的缺點

A.壓縮氫氣存儲空間問題

在常溫，常壓下，存儲相同質量的氫氣所占的空間是汽油的幾千倍（1個大氣壓下，氫氣密度為0.10g/L，200個大氣壓下，氫氣密度為0.02kg/L汽油密度0.70kg/L）。采用高壓儲氫儲存方式，儲存壓力若為200個大氣壓，存儲所需空間明顯降低，但仍是汽油的幾十倍。

若從存儲所需空間考慮，比較理想的儲氫方式是采用液態儲氫，液氫的密度為0.07kg/L，當壓力為690個大氣壓時，儲存相同質量的高壓氫氣所需的空間與液氫的相等，根據目前儲氫容器技術的發展現狀，容器壓力指標可以達到345個大氣壓。

B.液化氫存儲的能耗和蒸發問題

液化儲存面對兩大技術難點，一是氫液化能耗大，工程實際中，氫液化消耗的能量占液化氫能的30%二是液氫儲存容器的絕熱問題，由于儲槽內液氫與環境溫差大，液氫的蒸發損失比較嚴重，若是一段時間不使用液化的氫，那么液氫可能由于蒸發損失被消耗。

C.存儲的安全性及系統效率

高壓儲氫壓力較高，安全性差，而且在壓縮的過程中消耗一部分能量，降低了系統的效率；若采用液化儲氫，當液氫罐中液氫即將消耗完畢時，不可防止地使溫度升高，造成液氫的緩慢蒸發，導致液氫罐中壓力升高，所以為防止發生危險，必須定期地排掉蒸發的氫氣，但排氣的同時，又會降低系統的效率。

D.氫燃料的供給設施

目前氫燃料的供給設施匱乏，不能滿足推廣以氫為燃料的電動汽車的要。

盡管與同類其它燃料動力鋰電池電動轎車相較，以氫為燃料的電動轎車的成本較低、效率較高，但是以氫為燃料的燃料動力鋰電池電動汽車目前面對許多的問題，人們在以氫為燃料的燃料動力鋰電池汽車的研發過程中，也進行了以甲醇、汽油等為燃料的燃料動力鋰電池汽車的研發。

2以甲醇為燃料的燃料動力鋰電池電動汽車

1）甲醇重整燃料動力鋰電池反應機理

甲醇經過重整，重整產物為氫氣、碳氧化物。

甲醇在重整器中發生的反應如下:

重整的產物經過處理后，作為燃料輸送到燃料動力鋰電池堆進行電化學反應，該步驟的反應機理與氫燃料動力鋰電池的相同。

2）采用甲醇作為燃料的優勢

A.甲醇資源豐富，天然氣，城市垃圾，含碳物質等均可以制取甲醇。

B.在目前幾種重整燃料中，甲醇的重整溫度較低，大約在280℃。

C.傳統的燃料供給站比較容易改造為甲醇燃料供給站，不要額外安全設施，有利于燃料動力鋰電池汽車的推廣。

D.甲醇能量密度較高，一次加注燃料的行駛里程可與傳統的內燃機汽車相媲美。

3）采用甲醇作為燃料具有幾個缺點

雖然采用甲醇作燃料有諸多的優點，除了毒性、腐蝕性等本身的物理特性外，由于重整過程的存在，帶來了以下負面影響：

A.新增結構的復雜性及系統的重量及成本

甲醇重整燃料動力鋰電池與氫燃料動力鋰電池相比，附加了重整器，新增了系統的重量、成本及結構復雜性，同時與傳統的車型相比降低了整車的可用空間。

B.能量損失

根據甲醇重整機理，在重整過程中，首先將甲醇汽化，甲醇汽化消耗了系統的能量。

C.環境污染

甲醇的重整過程出現了CO，CO2等碳氧化物及氮氧化物，造成了環境污染。

除甲醇重整燃料動力鋰電池外，各國也在研發直接甲醇燃料動力鋰電池。直接甲醇燃料動力鋰電池與甲醇重整燃料動力鋰電池的反應機理迥然不同，甲醇不需重整，可以直接在燃料動力鋰電池堆內進行電化學反應。由于不要進行甲醇重整和去除CO，可以降低甲醇燃料動力鋰電池系統的成本、重量，而且簡化系統結構。

直接甲醇燃料動力鋰電池與甲醇重整燃料動力鋰電池相比，在技術上尚未成熟。盡管以甲醇為燃料的燃料動力鋰電池成本較高，技術復雜，但是從能源、燃料的安全性，目前的重整技術、燃料動力鋰電池研發現狀及燃料的供給設施而言，甲醇燃料在幾種燃料中肩負著重要的使命。

3燃料動力鋰電池汽車開發的技術難點

有關燃料動力鋰電池電動汽車來說，首要的困難就是燃料動力鋰電池價格太昂貴，每千瓦電能約需2700～5400美元，光是一個30kW燃料動力鋰電池就要十幾萬美元。而研究表明，燃料動力鋰電池只有使用純氫才能走向實用化，但是要使燃料動力鋰電池汽車使用純氫困難重重。單是制氫就頗讓人頭疼，假如用天然氣制氫，會出現大量的二氧化碳，不利環保，但假如采用電解水的方法制氫，則又面對電力不足的困擾，看來將來只能寄希望于核能發電或太陽能發電等技術的重大突破了。

另一個使用純氫的關鍵問題是氫氣在汽車上的儲存問題，如燃料動力鋰電池直接使用氫氣，由于氫氣能量密度很小，一次充裝的行駛里程有限，現已知的高壓儲氫的方法下，汽車的續駛里程不超過300公里。為獲得足夠的行程，大約要利用車身空間的25%～30%來存放氫氣。如燃料動力鋰電池由汽油或甲醇來供應氫氣，則車上需裝備重整器，由于啟動時，制取氫氣和電化學反應速率緩慢，又要新增一個輔助動力源（如蓄電池、電容器）。這樣一來，一輛燃料動力鋰電池汽車要比相同尺寸的內燃機汽車新增400kg質量。

目前，最有效的儲氫方法是將液態氫儲放在合適的存儲罐內安放在車上。液氫的存儲罐系統比普通汽油儲箱要復雜，必須邂免外界的傳熱，以盡量減少氫的蒸發損失。重要的裝備是一個真空絕熱雙層壁不銹鋼容器。

此外，在兩層壁之間還有許多層鋁箔，以防止由于輻射造成的傳熱。除了以液態的方式進行車載儲存外，也可以在合適的壓力容器內以氣態方式儲存氫，但是該方法有一定缺點。例如，即便氫氣已經過高度壓縮，其比容量能量密度仍然偏低，因此氣缸或氣罐的體積都必須比液氫系統所用的大很多。

還有兩種氫的儲存方法也在研討中：

1）金屬氫化物技術

合金充當氫的載體，氫被儲放在金屬原子間的空隙中。這種方法有很高的比體積儲存容量，在使用過程中也非常安全。但是在發揮這些優點之前，首先必須克服這種方法存在的一個基本缺陷：載體重量同其儲氫量相比實在是太高了。

2）納米碳存儲的技術

在該方法中，氫原子存放在顯微水平細小的碳結構內。納米是長度單位，相當于四倍于原子直徑的距離。從長遠的觀點看，研究員和工程師們都對這種方法應用于機動車寄予希望。

以下為幾種儲氫方式比較：

幾種儲氫方式比較，常溫下的高壓儲氫在目前是比較可行，假如碳納米材料儲氫技術能夠取得突破，將是比較理想的儲氫方式。

假如解決了氫氣在汽車的儲存問題，人們一般寧愿選擇燃料動力鋰電池直接使用氫氣，而不希望新增一個重整裝置再從汽油或甲醇中制取氫氣。假如這樣，則又存在一個大問題，人類社會必須尋找到一個廉價方便的制取氫的方法，建立若干大的氫氣制造廠，建立一整套加氫站。

從尋找新能源的初衷考慮，從化石燃料中制氫的方法被摒除，現在人們正在嘗試利用太陽能或風力發電，再將水電解制氫，或從某些細菌、海藻的新陳代謝中制氫等。但氫氣能像汽油那樣大量、廉價供應給人們的日子還未到來。

4燃料動力鋰電池汽車的開發前景

從世界范圍來看，由于近年來電動汽車的技術突破，使得各國政府在推廣新能源汽車方面都把注意力放在了電動汽車上，而氫燃料動力鋰電池僅有少數幾個國家在力推，如日本政府力推氫能源汽車，補貼力度很大。而且各大汽車廠商的研發重點也是電動汽車，如通用、奧迪、奔馳和寶馬等。

因此，隨著充電樁的建設加速，未來十年至二十年應該是純電動汽車的春天，將迎來最好的發展機遇。但是假如電池容量及電池快充技術在未來數年內沒有大的突破，則氫燃料動力鋰電池汽車則有機會趕超純電動汽車，畢竟，氫燃料動力鋰電池汽車充滿氫氣只需3分鐘，卻可以行使超過700公里，未來可能超過一千公里。

純電動汽車和氫燃料動力鋰電池汽車誰將成為未來的主流車型取代燃油汽車，取決于各自技術突破的速度以及政策支持。假如電池容量及快充技術在高效清潔制氫技術之前獲得突破，那么純電動汽車將成為未來主流新能源汽車，否則氫燃料動力鋰電池汽車將超越電動汽車成為未來主流新能源汽車，否則氫燃料動力鋰電池汽車將超越電動汽車成為未來主流新能源汽車。

從技術發展成熟度和我國國情來看，混合動力汽車可以作為大面積充電網絡還沒建立起來之前的過渡產品，而純電動汽車應是我國目前大力發展的方向。但是我國也應加快氫能源汽車基礎研究以及完善相應的工業體系，防止未來出現氫能源汽車大規模替代燃油汽車時處于被動地位。

5燃料動力鋰電池控制系統的結構和策略

單獨的燃料動力鋰電池堆是不能發電并用于汽車的，它必須和燃料供給與循環系統、氧化劑供給系統、水/熱管理系統和一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料動力鋰電池發電系統，簡稱燃料動力鋰電池系統：

燃料動力鋰電池堆是燃料動力鋰電池動力系統的最核心部件，它由多個燃料動力鋰電池通過一定的方式結合起來形成的通過電化學反應出現直流電的燃料動力鋰電池組。一個單獨的燃料動力鋰電池出現的電壓低于1V，所以單電池要做成堆棧應用。

影響燃料動力鋰電池系統效率的因素重要有以下幾點：

大型燃料動力鋰電池汽車如大客車一般采用感應電機驅動，重要應用在數十千萬以上的中、大功率系統中；小型燃料動力鋰電池汽車如乘用車一般用無刷直流電機驅動系統，重要應用在在數十千萬以下的中、小功率的系統中。燃料動力鋰電池汽車的整車控制系統和其他類型的新能源汽車是相同的，它負責對燃料動力鋰電池系統、電機驅動系統、動力轉向系統、再生制動系統和其他輔助系統進行監測和管理，也可以向智能化和數字化方向發展，包括神經網絡、模糊運算和自適應控制等非線性智能控制技術都可以應用于燃料動力鋰電池汽車的控制系統中。因此，燃料動力鋰電池汽車相同可以發展無人駕駛或智能駕駛。

燃料動力鋰電池車是以燃料動力鋰電池為重要電源和以電動機驅動為惟一的驅動模式的電動汽車輛，燃料動力鋰電池汽車的基礎結構多種多樣，按照驅動方式可分為純燃料動力鋰電池驅動和混合驅動兩種，差別重要在于是否加裝了輔助電源，輔助電源一般用蓄電池（鉛酸電池）、堿性電池或超級電容器。

目前，因受到燃料動力鋰電池啟動較慢和燃料動力鋰電池不能用充電來儲存電能的限制，多數燃料動力鋰電池汽車都要新增輔助電源來加速燃料動力鋰電池車的啟動，所要的電能和儲存車輛制動反饋的能量。因此一般的燃料動力鋰電池汽車大多是混合驅動型車，其動力系統關鍵裝備除了燃料動力鋰電池，還包括DC/DC轉換器、驅動電動機及傳動系統、輔助電源。

輔助電源及管理系統是混合型燃料動力鋰電池汽車動力系統中的重要組成部分，在汽車啟動、加速、爬坡等工況下，要驅動功率大于燃料動力鋰電池可以供應的功率時，釋放存儲的電能，從而降低燃料動力鋰電池的峰值功率需求，使燃料動力鋰電池工作在一個穩定的工況下，而在汽車怠速、低速或減速等工況下，燃料動力鋰電池功率大于驅動功率時，存儲動力系統富余的能量，或在回饋制動時，吸收存儲制動能量，從而提高整個動力系統的能量效率。

七、結語

近年來雖然汽車燃料動力鋰電池快速發展，世界上大的汽車生產廠家都投人到電動汽車燃料動力鋰電池系統研制開發和應用中，但要使其裝車使用達到規模，仍有一些難題要解決。燃料動力鋰電池電動汽車要復雜的車載燃料處理系統，雖然這些系統已成功使用在、航天等領域，但將其應用在汽車上仍面對新的挑戰，技術方面存在許多難題有待研究和解決。

在解決燃料動力鋰電池汽車各種技術問題的時候，重要目標是：安全性好、動力性優良、加油方便、節省燃料、續駛里程更長，并且希望排放趨近為零。

燃料動力鋰電池在正式使用到電動汽車之前，必須使其技術成熟化。目前，燃料動力鋰電池還存在系統結構復雜、體積和自身質量較大、成本較高等缺陷。

從世界重要汽車廠商開發實驗用燃料動力鋰電池電動汽車性能比較一覽表可以看出，從燃料動力鋰電池發電原理比較，首選車載燃料是氫氣，然后是甲醇，最后是汽油。從基礎設施完備性比較，選擇順序則應是汽油-甲醇-氫氣，從排放污染物比較，應是氫氣-甲醇-汽油。目前車載汽油提取氫氣的方法是燃料動力鋰電池富有生命力的重大進展，它解決了燃料動力鋰電池的一個最大問題一缺少氫氣供應的基礎設施，所以使用汽油燃料動力鋰電池為電動汽車動力源具有使用和推廣價值。但從長遠角度看，純氫氣是電動汽車燃料動力鋰電池系統的最佳選擇。

我國是世界上能源消費上升最快的國家，也是環境污染嚴重的國家。因此，發展燃料動力鋰電池是解決能源短缺和環境污染的有效方法之一。盡管我國在燃料動力鋰電池的研究方面取得了一些進展，但研究與發展的總體水平與國際水平還有很大差距。