虽然燃料电池在19世纪就被人们研发出来，但是直到1966年才由美国通用汽车公司Craig Marks博士率领约250人的研究团队，经过两年的时间研发出通用Electrovan燃料电池汽车，被认为是第一辆燃料电池汽车（见图15-17）。通用Electrovan燃料电池系统采用液态氢和液态氧为燃料，而现今的系统都采用空气取代纯氧。Electrovan拥有一个储氢罐和一个储氧罐，总管道长达550ft，所以将这个6座小客车改装成2座汽车。其燃料电池功率为5kW，可以使用1000h，其最高时速为63～70mile/h，续驶里程为120mile，这在当时已经很好了。但是由于其安全性，它仅用于公司内部，并且发生了几次事故。所以，这款车并不是非常成功。

图15-17 通用公司向媒体展示的Electrovan燃料电池汽车及其结构示意图^[21]

图15-18 戴-克汽车公司Citaro燃料电池公共汽车^[27]

随着燃料电池技术的不断进步，加拿大的巴拉德动力系统公司于1993年成功地开发了世界上第一辆燃料电池大客车。从那时起，燃料电池得到迅速发展。不少城市如美国芝加哥、加拿大温哥华等都举办过燃料电池公共汽车示范。规模最大的是在2004年开始的欧洲燃料电池公共汽车示范计划，参加示范的有30辆戴-克汽车公司的燃料电池公共汽车，这种Citaro低地板燃料电池公共汽车，长12m，有3个门，设有30个座位，最多可容纳70名乘客；采用由巴拉德动力系统公司制造的燃料电池发动机，功率大于200kW，最高车速为80km/h；压缩储氢罐置于Citaro燃料电池公共汽车的顶部，氢气压力为35MPa，续驶里程为200～250km；电动机、变速箱、驱动桥及其他辅助机械位于公共汽车后部。2006年第一期示范成功地完成，目前正进行第二期示范。第二期示范包括了北京和澳大利亚琅斯市的燃料电池公共汽车。图15-18为2004年在北京Hyforum2004展览会展出的Citaro燃料电池公共汽车。

在不断研发新型燃料电池公共汽车的同时，近年来世界各国政府和各大汽车公司都非常重视燃料电池汽车的研究开发，在燃料电池家用轿车方面也取得了突飞猛进的进步。下面对燃料电池家用轿车主要研发公司的最新进展以及我国燃料电池汽车发展状况加以介绍。

（1）戴-克汽车公司

戴-克汽车公司是世界上最大的燃料电池汽车制造商之一，于1994年开发出第一辆氢燃料电池汽车Necar1。该车的车厢里布满燃料电池和氢燃料装置（重达800kg），以至于救护车一般大小的Necar1内只能乘坐2人（包括驾驶员在内）。1995年，Necar2型车问世，其原型车为Vito牌小型客车。该车设有6个座位，燃料电池组安放在后排座椅下面，两个储氢罐置于车顶部，较前一代车有很大改进，此车最高车速达到110km/h。1997年秋季，以奔驰牌A系列车为原型的Necar3型燃料电池轿车制成，以甲醇为燃料，用甲醇重整制取氢而供给燃料电池使用。汽车需安装甲醇重整器，因此，燃料电池动力系统和甲醇重整器的匹配成为大问题。实际上Necar3是不成功的，在戴-克公司宣布制成Necar3的消息后，一直没有示范的信息。1999年2月，戴-克公司的Necar4型燃料电池轿车仍以奔驰A系列轿车为原型，在美国华盛顿展出，车上的液体氢储罐直接向燃料电池系统提供氢燃料。可供5人乘坐和放行李。最高车速为145km/h，加注一次燃料汽车可连续行驶450km。2000年Necar5型车问世，实际上是Necar系列的修正版。与Necar4型车相比，燃料电池动力系统外形尺寸大为缩小，燃料电池组的体积较上代车缩小1/2，只有80cm×40cm×25cm，质量减少1/3，输出功率提高至75kW，相当于1.8L汽油机。甲醇重整器尺寸比Necar3型车的缩小1/3，而效率则提高50%。此车装用的异步感应电动机也比上一代车的性能更好、质量更轻、价格更低。所有这些改进措施，使整车自质量减少300kg。该车最高时速为150km，加注一次燃料可连续行驶的路程比Necar3延长200km。

2001年以后，公司开发了更加实用的F-Cell型燃料电池小轿车。其性能与Necar5相当，只是燃料由甲醇改为高压氢气。由于省去甲醇重整系统，使得该车的造价大为降低。此时的燃料电池轿车已经和普通汽油车在外形和内部空间上没有区别。戴-克汽车公司的ecoVoyager燃料电池汽车于2008年1月14日在底特律车展中亮相，如图15-19所示。它是四座四门的汽车，代表了燃料电池汽车发展的最新技术水平。ecoVoyager汽车拥有45kW的燃料电池动力系统和200kW功率的蓄电池，续驶里程达到300mile。ecoVoyager汽车能够单独以16kW锂离子电池行驶40mile，燃料电池的储氢罐压力达到69MPa。该车在8s内就可以从0加速到100km/h，最高时速达到190km/h。同时，设计人员将汽车的前轮位置向前移动，增加了乘客的乘坐空间，因此，该车的4个座椅都非常舒适。^[21]

2009年1月戴-克汽车公司的BlueZero燃料电池概念车于底特律国际车展上首次亮相，如图15-20所示。该车的燃料电池发动机功率可达90kW，可以达到81mile/加仑耗能水平。其续驶里程达到240mile了。该车采用三明治型燃料电池组，位于车底板的底部。这种三明治型设计降低了电池重量，提高了汽车的操控性能。它具有5个座位，属于前轮驱动形式。可以在11s内从0加速到100km/h，最高时速达到150km/h，采用了低磨耗20in车轮。

图15-19 戴-克公司ecoVoyager燃料电池轿车

图15-20 戴-克公司BlueZero燃料电池轿车

（2）通用汽车公司

美国通用汽车公司对开发混合动力汽车也甚为关注，至今已开发出多款，共100多辆燃料电池汽车。通用汽车以紧凑型微型厢式车欧宝“Opel Zafera”为基型车开发的“Hydrogen3”燃料电池车向商用化目标推进了重大一步。它搭载由200个单电池构成的燃料电池堆，额定功率为94kW，并由60kW功率的三相非同步电动机供应电力。0～100km/h的加速性能在16s之内完成，最高车速达到150km/h。按照新欧洲行驶循环，其续驶里程在消耗4.6kg氢燃料下达到400km。由这些数据表明，Hydrogen3已经具有很高的实用性。它取消了车载用蓄电池，由燃料电池系统单独作为动力，简化了车身结构，减轻了车身重量，并降低了成本。Hydrogen3具有优异综合效率，在100km/h车速时，燃料利用率达到40%，超过了最新型高效直喷柴油机的效率。按照NEDC测算的直喷式柴油机的效率为22%，而Hy-drogen3的效率达到36%，并且几乎不排出CO₂。^[21]

Hydrogen3燃料电池汽车的另一个重要改进就是取消了原来的电解质膜（即质子交换膜）用的外部加湿器，而是由燃料电池电解反应中生成的水进行内部加湿，其优点是取消了加湿器及其附属部件，因此简化了燃料电池系统结构，相应减轻了重量。该车的乘坐舒适性有了很大提高。设有冷暖空调，并设有车载式自诊断系统，驾驶者可实时掌握整个系统的状态。在电驱动系统方面也获得了改进，实现了小型轻量化。包括电流逆变器、DC/DC转换器、变速器与差动机构在内的驱动系统总重只有92kg，燃料电池系统与电驱动系统组成整体结构，可以安装在欧宝Zafira量产车的车型上，因此Hydrogen 3已经向批量生产的目标迈进了一大步。

与HydroGen3燃料电池汽车相比，第四代Sequel燃料电池汽车的储氢罐由轻质的高强度碳素复合材料制成，充氢压力可以从34.5MPa提高到69MPa。它拥有更长的续驶里程（300mile）和更快的加速性能（0～100km/h加速时间小于10s）。它采用锂离子电池作为辅助能源，同时采用了再生制动系统。

通用公司于2007年4月19日在上海车展上展示了Volt Hydrogen概念汽车，如图15-21所示。该车为四轮驱动型，采用第五代燃料电池系统，并配有辅助锂离子电池。由于目前的锂离子电池占用空间较大，价格昂贵，因此，他们投入了大量人力和物力进行研究开发。第五代燃料电池系统虽然只有以往电池的一半尺寸，但是能够提供相同的能量和性能。Chevy Volt汽车比第四代Sequel减重30%，它的续驶里程达到300mile，能够与普通的110V插座相连充电，仅采用蓄电池可以行驶40mile。Chevy Volt标准型汽车最初于2007年1月份底特律的北美国际车展上面世（见图15-22）。开发出Chevy Volt燃料电池汽车后，通用公司能够为用户提供多燃料汽车的选择，包括氢、汽油、乙醇、柴油等。^[21]

图15-21 通用公司Sequel燃料电池汽车

图15-22 通用公司Chevy Volt燃料电池汽车

Chevy Equinox燃料电池汽车采用了通用公司的第四代燃料电池驱动系统，它包括功率为93kW的燃料电池，73kW的前轮驱动3相异步电动机以及35kW的镍氢电池系统，如图15-23所示。它采用3个耐压69MPa的碳纤维储氢罐，续驶里程达到200mile，最高时速达到100mile/h，0～100km/h的加速时间小于12s。它拥有5座位和4个车门，满足了美国汽车联合会的所有安全标准。它可以在-25～45℃下进行启动，因此能够耐寒冷和炎热的服役条件。该车的设计寿命为50000mile，因而这种车作为租赁车更为适合。通用公司2010年3月宣称，他们正为Chevy Equinox汽车配备新的燃料电池系统，它只有220lb^[3]，比旧系统轻很多，并且减少1/3铂用量。^[21]

图15-23 通用公司Chevrolet Equinox燃料电池汽车^[21]

（3）福特公司

美国福特公司经过多年的努力，开发出多个系列的氢燃料电池汽车。2004年，福特公司在P2000型燃料电池汽车基础上又推出了Focus燃料电池汽车（见图15-24），它是一种双动力混合汽车，它采用Ballard 902质子交换膜型燃料电池，并辅助以三洋镍氢高电压蓄电池系统，该车的储氢罐压力可达34.5MPa，被称为第三代氢能源汽车。其测试实验中24h行驶了1400mile，续驶里程在150～200mile之间，最高时速达到80mile/h。^[21]

2006年11月，福特公司又在洛杉矶推出Explorer燃料电池越野车，如图15-25所示。它是福特公司在美国能源部资助下研发出来的6档6座位燃料电池越野车，续驶里程可达350mile，超过了同时期的其他燃料电池轿车。它已经过17000mile路面行驶测试，其中包括在24h行驶1556mile的测试。^[21]

图15-24 福特公司Focus燃料电池汽车

图15-25 福特公司Explorer燃料电池越野车

福特还开发出一款Airstream燃料电池混合动力汽车，如图15-26所示。该车的前25mile采用336 V锂离子电池驱动，而后氢燃料电池为电池充电，汽车还可以再行驶280mile，从而使总续驶里程达到305mile。该车的HySeries动力系统部分也是在美国能源部资助下研发，燃料电池采用加拿大Ballard公司的产品。Ballard公司的此款燃料电池系统体积更小，价格是以往燃料电池的一半，并且可以在低温启动。随后福特在Airstream汽车的基础上进一步提高了汽车的驾驶性能，于2007年美国底特律的北美汽车展上推出新型Flexible燃料电池汽车（见图15-27）。该车使用了相同的HySeries动力系统，但是车体使用了福特公司的新设计。它的前25mile完全采用电池驱动，一旦电池耗尽40%，Ballard燃料电池则为336 V的锂离子电池充电。34.5MPa的储氢罐可使该车行驶200mile，其总续驶里程达到225mile。

(www.daowen.com)

图15-26 福特公司Airstream燃料电池汽车

图15-27 福特公司Flexible燃料电池汽车

（4）本田公司

日本政府和各大汽车公司都非常重视燃料电池汽车的开发，本田公司走在其他日本汽车公司的前列。在第一代2004款燃料电池汽车基础上，于2005年推出了先进的第二代本田FCX燃料电池汽车，如图15-28所示。该车装有86kW的质子交换膜燃料电池，比2004款节约燃料20%，功率输出提高33%，是当时唯一通过美国环境保护局和加州大气资源委员会鉴定的零排放燃料电池汽车。

随后，本田公司的新型FCX氢燃料电池汽车于2008年下线，被认为是丰田公司的第三代燃料电池汽车。它的性能比现在用于政府部门的2005款本田FCX燃料电池汽车更优异。先进的燃料电池体系利用重力将水排出，提高了它的低温性能，解决了燃料电池汽车低温启动困难的问题，可以在-30℃进行启动。它采用两个轻质燃料电池组联合提供86kW的动力，和早期车型不同的是，新型FCX汽车采用了80kW直流无刷式电动机。另外，它也是一款混合动力车，在它的乘客座椅的后面装有超级电容器，为汽车提供加速和上坡所需的额外能量。超级电容器的内部电阻低于一般的蓄电池，使这种混合动力汽车与众不同。在此超级电容器下面拥有2个充氢压力为34.5MPa的储氢罐，它由玻璃纤维、碳纤维和铝的多层罐体组成，具有较高的强度和良好的耐腐蚀性，因此安全性很高。它的续驶里程为250mile。

本田公司还推出了FCX Clarity燃料电池汽车，如图15-29所示。与2005款FCX不同，本田FCX Clarity汽车采用了新型缓冲器和小尺寸车轮。它由100kW燃料电池系统提供能量，同时拥有一个辅助的锂离子电池（比目前FCX中的锂离子电池尺寸减少一半），电动机功率为95kW，储氢罐的充氢压力为34.5MPa，续驶里程达到270mile。本田公司FCX Clarity汽车的燃料电池结构更为紧凑，尺寸和台式计算机相当，它使得发动机和齿轮箱合并为一体，其电动机结构如图15-30所示。其燃料电池系统进行改进后，能够在-30℃启动。该车已通过CARB（California Air Resources Board）和EPA（United States Environmental Protection Agency）安全和排放标准的验证。本田公司宣称FCX Clarity燃料电池汽车的市场投放量约为几十辆。

图15-28 本田公司FCX燃料电池汽车

图15-29 本田公司FCX Clarity燃料电池汽车

图15-30 本田公司FCX Clarity燃料电池汽车的电动机结构图（上图）和FCX Clarity燃料电池组（下图）

（5）日产汽车公司

日本日产公司也大力支持燃料电池汽车的研发，并且具有独特的设计理念。2003年推出日产X-Trail燃料电池越野车，如图15-31所示，该车采用高分子电解液型燃料电池系统，由美国UTC燃料电池公司制造。^[21]

图15-31 日产公司2003款X-Trail燃料电池汽车^[21]

随后日产公司推出的2005款X-Trail汽车采用了最新的燃料电池系统，如图15-32所示。它采用新型的燃料电池系统，节约空间60%。同时，采用新型电极使电池堆的寿命提高1倍，并使工作温度变宽。新型氢气存储罐由加拿大的Dynetek公司提供，其储氢罐的充氢压力达到69MPa，在体积不变的前提下，其储氢容量提高30%，大大提高了汽车的驾驶性能和续驶里程。这种储氢罐的内层为铝，外层包裹着碳纤维。2005款X-Trail汽车的最高时速为90mile/h，续驶里程达到311mile。其发动机功率为90kW，是2003款的1.7倍。辅助锂离子电池重量和体积减少一半，而输出功率是2003款的1.5倍。

图15-32 日产公司2005款X-Trail燃料电池汽车及其燃料电池组^[21]

（6）我国燃料电池车的发展状况

我国一直重视燃料电池车的开发，科技部在“九五”期间开始支持燃料电池车的研究。我国的第一辆燃料电池车于1999年12月在清华大学试验成功，如图15-33所示。我国第一个燃料电池民营企业北京富原公司提供自制的5kW PEMFC燃料电池堆，燃料电池由氢气和氧气驱动。车的长×宽×高为3.6m×1.3m×2.0m，乘员8人，最高速度达20km/h，一次加氢的续驶里程为80km。接着，其他公司也开发了多种燃料电池车辆。如2000年底，上海神力公司制成另一辆燃料电池观光车，车的参数和性能与清华大学富原公司的车相当，不过，由于改为氢和空气驱动，原来存放氧气瓶的空间也放置氢气瓶，续驶里程加倍。^[27]

图15-33 我国第一辆燃料电池汽车^[27]

“十五”期间，科技部加大对燃料电池研究的投入，拨款3.8亿元人民币支持燃料电池汽车的研发。燃料电池轿车由上海同济大学负责，燃料电池公共汽车由清华大学负责。另外，中国科学院、自然科学基金委员会、地方科委、国有及民营企业也大力支持燃料电池汽车的开发，因而估计国内总资助共约20亿元人民币。我国还通过燃料电池车的国际合作推动燃料电池车的发展，其中，影响最大的要算全球环境基金（GEE）、联合国开发计划署（UNDP）和我国科技部（MOST）合作的燃料电池公共汽车示范项目。中国是几个发展中国家里最积极发展燃料电池车的国家，在我国执行的GEE/UND/MOST项目费用大约为3600万美元，中方支付其中的2/3，远远超出其他发展中国家所承担的份额。我国目前已经自主开发出燃料电池客车10余辆，燃料电池轿车30余辆。图15-34为我国自行研制的燃料电池公共汽车，其性能参数见表15-4。图15-35为我国自行研制的燃料电池轿车，其性能参数见表15-5。^[27]

图15-34 我国自行研发的燃料电池公共汽车

图15-35 超越1号燃料电池轿车

表15-4 我国燃料电池客车第一辆原型车参数^[27]

表15-5 我国燃料电池轿车第一辆原型车参数^[27]

2008年北京奥运会期间，3辆燃料电池大巴和20辆燃料电池轿车参加奥运会全程服务。作为中国科技部、世界环境基金和联合国开发计划署的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”的一部分。奥运会后燃料电池大客车继续进行公交车的示范。项目第二阶段将在上海展开。我国汽车公司已经可以批量制造氢燃料电池客车商业化示范样车，在20辆级批量时单车成本不超过350万元人民币，百公里氢燃料消耗率不大于8.5kg，远低于进口燃料电池大客车单车的1500万元人民币。我国已建成3座与氢燃料电池车配套的加氢站，北京2座，上海1座。目前，上海还有另1座在建。

我国开发燃料电池汽车是科技部投资、著名大学牵头、汽车和电子工业生产厂配合出车，因而工艺、设备和生产能力略有不足，而国外燃料电池汽车均由著名汽车生产企业研发和投入试用。随着中国汽车生产企业对燃料电池汽车研究投入的加大，相信我国的燃料电池汽车的产业化进程将进一步加快。