项目一 新能源汽车发展史

情境引入

小林是新能源汽车技术专业学生，参加了一次新能源汽车大赛，大赛中被问及了大量新能源汽车发展史的相关知识，小林并没有回答出来，感到十分不悦。

学习目标

能说出纯电动汽车发展史。

能说出混合动力汽车发展史。

能说出燃料电池汽车发展史。

一 纯电动汽车发展史

1886年，卡尔·奔驰发明了以内燃机为动力的汽车，不过电动车却比内燃机动力汽车有更长的历史。电动车的历史可追溯到1834年，那一年托马斯·达文波特（Thomas Davenport）制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。第一辆以可充电池为动力的电动车于1881年在法国巴黎出现，它是法国工程师古斯塔夫·土维（Gustave Trouve）装配的以铅酸蓄电池为动力的三轮车如图1-1所示。

和19世纪末的内燃动力汽车相比，电动车除了车速略低，在其他方面的优点很多，比如起动方便，而且电动机工作时没有噪声、发动机的振动和难闻的汽油味。而且，直流电机低转速时的大转矩输出特性使其用作汽车动力时不需要复杂的传动系统，且操作简便，因而电动车成了机动交通工具的一个主要发展方向。

从19世纪末期到20世纪初期，是电动车的黄金时期，法国和英国都出现了电动车制造公司。1882年，维尔纳·冯·西门子（Werner von Siemens）制造出无轨电车（图1-2）；1899年4月29日，比利时人卡米尔·杰那茨（Camille Jenatzy）驾驶着一辆名为“快乐，La Jamais Contente”的炮弹外形电动车以105.88km/h的速度刷新了由汽油动力发动机保持的世界汽车最高车速的速度记录（图1-3），这是汽车速度第一次突破100km/h大关，并保持着这个汽车速度记录进入到了20世纪。

与此同时，大洋彼岸的美国在汽车的普及上比欧洲稍晚，但他们有自己的优势，美国在电力技术发展和普及上领先于欧洲。发明了电灯、留声机的美国著名科学家托马斯·爱迪生（Thomas Edison）是电动车的坚定支持者（图1-4），1911年《纽约时报》曾经这样评论电动车：“它经济，不排放废气，是理想的交通工具。”舆论和名人的效应对于电动车在美国的推广与普及无疑起到了推波助澜的作用，美国的安东尼电气集团（Anthony Electric）、贝克（Baker）、底特律电气（Detroit Electric）、哥伦比亚（Columbia）和瑞克（Riker）这样的电动车制造公司应运而生。当时的美国不仅拥有数量众多的电动轿车和电动货车，Baker Motor Vehicle Company在1907年甚至开发了最早的电动跑车（图1-5）。1897年，纽约出现了第一辆电动出租车。与此同时，和电动车一起相关的配套服务设施也应运而生，美国汉福德电灯公司（Hartford Electric Light）公司为电动车提供可以更换的电池。Detroit Electric公司不仅制造电动车，还建立了电池充电站方便用户，现代电动车需要的那些配套设施在90多年前就已经建立过了。

不过，电动车的黄金时代并没有持续太久。20世纪20年代后，内燃机技术达到了一个新水平，装备内燃机的汽车速度更快，加一次油可持续行驶里程是电动车的3倍左右，且使用成本低。相比之下，电动车的发展进入了瓶颈时期，在降低制造成本和改善使用便利性方面没有明显的进步。这种背景下，电动车很快失去了存在的意义。在1940年左右，电动车基本上就从欧美汽车市场中消失了。

1973年爆发的石油危机令全世界陷入石油短缺的状态中，人们又开始关注其他动力的汽车，电动车再一次进入了人们的视线中。20世纪80～90年代，日本和美国的汽车厂家生产了一系列电动车，比如Chrysler TE Van和丰田RAV 4 EV，名气最大的是1996年通用汽车公司投产的EV1电动轿车（图1-6），不过，它们最终都是昙花一现。

经过几十年的发展，虽然屡次出现机会，但是直至21世纪初期电动车都没有再现19世纪末期至20年代初期的辉煌。根源在于它不仅生产成本相对较高，而且充电麻烦、保养成本高以及因电池能量密度低而造成其续驶里程短和充电便利性差，这些弱点都严重阻碍了电动车的普及。

二 混合动力汽车发展史

今天的混合动力汽车，被视作由传统内燃机汽车的未来纯电动汽车发展的中间形态，但在汽车发展史上，第一辆混合动力汽车却是出现在纯电动汽车诞生的近20年后。令人惊讶的是，它所采用的工作原理，直到今天仍被用于最新型的混合动力车甚至是概念车上。

混合动力车的历史要追溯到1900年，世界第一辆混合动力车“罗尼尔-保时捷”在当年诞生。其设计来自25岁的费迪南德·保时捷，这个年轻人未来将作为第一代大众甲壳虫的设计师、保时捷品牌的开创者而扬名天下。但在1900年，他只是位于维也纳的雅各布·罗尼尔公司的一位重要雇员，这是他的第一份工作。这家公司原本是一家豪华马车制造商，从19世纪末开始生产电动汽车。

在“罗尼尔-保时捷”上，费迪南德采用了串联式混合动力，由汽油发动机为发电机提供能量，由安装在前轮内的两个轮毂电机提供驱动力（图1-7），最大功率为10～14hp[1]。今天的雪佛兰Volt就采用了这种汽油机驱动发电机的形式，而轮毂式电机驱动则被近来很多纯电动概念车所使用。“罗尼尔-保时捷”有双座和四座两种车身形式，也有以蓄电池为能量源的纯电动型号，在此基础上费迪南德还开发出装备4个轮毂电机的四驱车型。

这辆充满灵感的轿车在1900年的巴黎世界博览会上大出风头，受到媒体广泛关注，但并未对其市场推广有什么帮助。“罗尼尔-保时捷”的售价高达15000奥匈帝国克朗，而同期最贵的奔驰Velo的售价才5200德国马克，前者是后者的2.6倍。虽然在20世纪初也有汽油价格上涨现象，但受益者更多的是早期电动车。作为市内交通工具，纯电动车曾在19世纪末到20世纪10年代风行一时，直到20世纪20年代欧美城际公路网逐渐形成，因其续驶里程短的缺点越来越明显（这也是同期蒸汽汽车被淘汰的原因之一），渐渐淡出了人们的视野。

在混合动力技术的奠基者中，还应该记住的一个名字是亨利·皮珀——一位德国工程师和发明家。他在1902年左右发明了并联式混合动力，甚至开发出了配套的早期动力管理系统。亨利·皮珀将这一成果授权给一家比利时汽车公司Auto-Mixed生产，在1906～1912年推出一系列车型，如装3.5hp发动机的Voiturette。但在亨利·皮珀去世后，Auto-Mixed被另一家公司收购。

在1915年，大西洋另一边的北美大陆上也出现了一家颇具超前性的汽车制造商：欧文·麦哥尼茨（Owen Magnetic）。这家公司专门生产混合动力车型，采用串联式混合动力。在1916年，纽约车展上Owen Magnetic的6缸混合动力车型首次与公众见面（图1-8），由于主顾中包括一些世界闻名的男高音歌唱家，如爱尔兰的约翰·麦考马克和意大利的恩里克·卡鲁索，这个品牌很快就变得广为人知，可以说是早期“明星营销”的成功典范之一。Owen Magnetic一直生产到1921年，他们的最后一款产品是Model 60 Touring（图1-9）。

在同一时期，另一家电动车制造商，芝加哥的伍兹汽车公司也生产混合动力车型。1916年，伍兹公司宣称他们的混合动力汽车最高车速可以达到56km/h，百公里油耗4.9L。但与烧汽油的对手相比，混合动力车始终存在价格昂贵和动力偏弱的问题，很快被淹没在汽油机汽车的汪洋大海中。以1913年美国市场为例，电动车加混合动力车共销售了6000辆，而采用汽油发动机的福特T销售了182809辆。从20世纪20年代开始，混合动力汽车进入了一个近40年的静默期。

1966年，美国国会通过的一项议案拂去了电动车和混合动力车身上的尘埃。为了减轻日益严重的空气污染，这项议案提倡使用电动汽车。1969年，通用汽车推出了他们的应对之策——512系列混合动力实验车。通用512甚至比微型车还小（图1-10），更像个玩具，只能乘坐2人，采用后置后驱布局。它采用了一套并联式混合动力系统，速度在16km/h以内由电动机驱动，16～21km/h为电动机和2缸汽油发动机共同工作，21km/h以上为汽油机单独提供动力，最高速度为64km/h。这种玩具般的小车在当时的交通环境中基本没有实际意义，因此有批评者认为通用并不愿意亲手终结盈利颇丰的传统汽车产业，只是用512来缓解对降低空气污染的舆论压力。

但在1973年，影响全球的第一次石油危机再次将电动汽车和混合动力汽车推到聚光灯下，比起作用缓慢的空气污染，钱包变薄问题更迫在眉睫。到1979年，通用汽车在电动汽车项目上花了2000万美元，并乐观地估计到1980年代中期就可以投入量产，直接跳过混合动力的过渡阶段。丰田在1977年也推出了一款混合动力概念车（图1-11）Sports 800 Hybrid，采用燃气轮机+电动机的并联形式。

进入20世纪80年代后，各大汽车制造商都在进行新能源领域的尝试，奥迪在1989年展出了在奥迪100 Avent Quattro基础上研发的duo实验车（图1-12），由12.6hp的电动机驱动后轮，能量来自可充电的镍镉电池，136hp的2.3 L5缸汽油机驱动前轮。奥迪duo的尝试一直持续到1997年，基于A4 Avent的第三代duo正式量产（图1-13），使奥迪成为第一家生产现代混合动力车的欧洲厂商，但这款车型因并未得到市场认可而最终停产。BMW则在1991年推出了电动概念车E1（图1-14），同年日产也发布了他们的电动概念车FEV（Future Electric Vehicle）（图1-15），并在1995年发布了第二代FEV（图1-16）。

20世纪90年代中期，苦心钻研的通用终于修成正果，世界上第一辆现代意义上的量产电动汽车EV1在1996年上市（图1-17）。但它短暂的生命似乎证明了电动车的生不逢时。EV1的兄弟，纯电动的雪佛兰紧凑型皮卡S-10 EV甚至比它还短命，生产仅1年便停产。与S-10 EV同样命运的还有福特Ranger EV，在4年的生命周期里仅制造了1500辆。

1996年诞生的EV1，在4年的生命周期里只生产了1117辆；福特在1998年也拿出了纯电动皮卡Ranger EV（图1-18），到2002年停产共生产了1500辆。在EV1奋力求生的同时，1997年第一代丰田普锐斯上市（图1-19），只在日本市场发售，少量被出口到英国、澳大利亚和新西兰。迄今为止，全球最畅销的混合动力汽车就此诞生，在第一年就卖出1.8万辆，而到2011年3月累计销量达到了300万辆。

在混合动力汽车的历史中，日本丰田普锐斯是一个重要标志。在经历了近百年风雨之后，混合动力汽车终于迎来了自己的春天。

目前世界上已经有70余种燃料电池汽车问世，在国外最热门、销量最大的新能源汽车就是混合动力汽车。

1997年，第一款量产混合动力品牌普锐斯由丰田推向日本市场，当年售出18000辆。1999年，本田混合动力双门小车音赛特（insight）在美国推出，受到好评。2007年年底，美国权威机构Autodata的统计数据显示，2007年10月份美国混合动力车的销售量与上一年相比，同期增长了30个百分点，销售量为24443辆。混合动力车型甚至成了平淡的美国汽车市场的一大亮点：2007年，美国市场销售混合动力车型超过30万辆。2007年5月17日，丰田混合动力汽车全球累计销售突破100万辆。

三燃料电池汽车发展史

1.燃料电池之父葛洛夫

燃料电池的工作原理是水分解为氢气和氧气的逆过程，正是因为工作原理极为简单，才导致燃料电池在19世纪就被发明。

自从电被人类发现并投入生活工业使用，如何低成本且大规模地发电，如何认识电就成了几代科学家研究的重点，燃料电池就是其中的一种发电装置。18世纪著名化学家、物理学家卡文迪许发现氢气。

得益于19世纪金属铂催化性能的发现，1839年，时年28岁的英国物理学家威廉·葛洛夫在《科学》杂志上发表了一篇论文，证明了氢氧反应发电原理，并在1842年发表燃料电池草图（图1-20），大意是氢气在铂催化作用下生成氢离子，氢离子通过电解液传输到氧气侧生成水，电子则通过外电路传输发电，电流方向如图1-20中的箭头所示。

因此，1839年被视为燃料电池诞生年，威廉·葛洛夫也被视为燃料电池之父。

随后在1889年，著名化学家及实业家路德维希·蒙德将电解液由液态硫酸升级为亚液态硫酸，即将片状多孔电极在硫酸溶液中浸润代替液态电解液，这样就大大紧凑了燃料电池的结构。

1890年，英国和法国的两个团队在实验室里组装出结构进一步改进的燃料电池，可以产生一定的电流，但价格极其昂贵，同时他们还意识到一个困扰至今的难题，“只有贵金属可以作为燃料电池的催化剂”。

2.燃料电池的应用

当时科学界对电子这一概念缺乏认识，甚至在葛洛夫发现燃料电池时，科学界还没发现电子。

接下来火力发电和水力发电技术逐渐成熟并开始大规模使用，价格昂贵的燃料电池只能退回到实验室研究状态。

（1）应用于军事

20世纪40年代，英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根改用液体氢氧化钾为电解液，多孔镍作为电极，扩大了适用的催化剂的范围，这种设计给燃料电池实用化带来了曙光。当时蓄电池技术不成熟，容易失火，而燃料电池只要氢气和氧气不接触就很难发生意外，用做隔膜的石棉工艺成熟、结构可靠，极大地降低了氢氧接触概率，培根意识到碱性燃料电池将非常适用于密闭空间，比如潜水艇。随后培根顺利进入英国海军，虽然直到第二次世界大战结束碱性燃料电池也未能成功应用于潜水艇，但这段工作经历维持了燃料电池研究工作的继续进行。1959年，培根带领团队制造出功率为5kW的燃料电池实用系统，虽然价格依旧较为昂贵，但其特殊的性能已足以引起航空领域知名公司普惠公司的注意。

普惠公司是世界三大航空发动机制造公司之一，主要给民用和军用飞机生产发动机，同时也是联合技术公司旗下一员，联合技术公司号称“你能在这里找到任何东西”，小到电梯空调，大到火箭发动机、宇航服都能生产，这家公司现在仍在从事燃料电池研发生产工作。20世纪60年代初期，普惠公司希望减轻对军事和航空公司的依赖，打算进入航天、舰船和燃料电池发电领域。在普惠公司注意到碱性燃料电池之前，早在1955年通用电气就已经用磺化聚苯乙烯离子交换膜代替硫酸做电解质，使酸性燃料电池升级为全固态结构，随后他们又发现可以将催化剂铂直接制备到膜上，进一步紧凑了燃料电池的结构。

（2）应用于航空工业

20世纪60年代的蓄电池可以满足几天的短途宇航飞行需要，但价格昂贵、极重且体积极大，有时宇宙飞船不得不在飞行途中丢下用完的蓄电池以减轻重量。太阳能电池在没有日光时无法供电，需要与蓄电池配合，而且当时太阳能电池能量转换效率极低，即使宇宙飞船外面铺满太阳能电池板，都无法满足需要。当时NASA正在进行双子星计划（图1-21），为之后的载人飞船登月积累经验，NASA需要一种安全稳定、轻便的装置作为飞船电源。

相比之下，燃料电池比蓄电池便宜，电池反应是化学反应，不受卡诺循环限制，能量转换效率可高达50%～60%，体积小，重量轻，副产物水还可以供宇航员饮用，因此受到NASA青睐。

但在双子星号第一次飞行前的6个月，通用电气还不清楚燃料电池到底能不能支撑到任务结束，到底安不安全，会不会中途罢工，燃料电池技术远超当时的技术水平。

为此，NASA在前4次飞行中采用了传统蓄电池做电源，双子星系列任务在早期出现过财务危机，被迫更换电力系统无非是雪上加霜。虽然每平方厘米制备了高达0.028g的铂做催化剂以保证电极反应顺利进行，但当时的酸性离子交换膜燃料电池还另外存在水管理问题，电池中水不够时膜会干燥开裂，水太多时又会淹没电极，这两个问题都会导致电池性能严重下降，双子星号不得不额外带了一个水箱维持燃料电池内部水平衡。而双子星号上的超前技术不止燃料电池，其推进系统和逃生系统也不成熟，执行飞行任务的宇航员必然抱定了“一去不返”的决心（图1-22），不仅是为自己祖国，更是为全人类承担了极大的风险。

燃料电池系统将双子星号的飞行时间由4天延长到了7天，后来又延长到了十几天。虽然其间第一次飞行不久就出现过报警、水循环系统出问题等状况，最后也算是有惊无险。

双子星号系列任务取得了很多开创性的成就，为后续阿波罗号成功开展任务提供了从宇航员训练及生存、宇宙飞船控制、飞船安全返回等多项经验，同时证明了燃料电池系统的可靠性。

解决酸性燃料电池用磺化聚苯乙烯膜诸多问题的曙光出现在20世纪70年代初期，杜邦公司发明出强度高、电化学性能好的Nafion膜，而此时双子星计划已经结束，碱性燃料电池技术上又已经超过酸性燃料电池。

1961年，苏联宇航员尤里·加加林成为首个进入太空的人类，美国政府倍感压力，生怕在航天竞赛中落后于苏联，于是排除万难开启了人类历史上非常伟大的“阿波罗计划”，美国政府致力于在20世纪60年代完成载人登陆月球并返回地球，这一计划不计成本地烧掉了240亿美元。

阿波罗计划极大地推动了科技进步，为了服务阿波罗计划，航天发动机、计算机、医学、材料等多个领域都出现了快速发展，燃料电池只是受惠的一个小领域。

碱性燃料电池电极、膜等采用的都是较成熟的材料，不仅价格低廉，而且安全性更高。

为了在阿波罗号中顺利安全应用，碱性燃料电池也做了一些技术改动，比如降低运行压力，提高运行温度，实际的电池性能比在地球上略低。

阿波罗号使用的碱性燃料电池（图1-23），总重为100kg，总功率为1.5kW，电极面积约为700cm2。从1968年到1972年，12次飞行任务内燃料电池没有出现任何事故，虽然阿波罗1号和13号两次事故都与氧气有关。

阿波罗1号在测试时发生火灾，原因是当时飞船内是纯氧环境，部分材料比如铝在纯氧环境下会剧烈燃烧，同时电路中出现电火花引燃纯氧，而飞船舱门设计不合理耽误了航天员逃生，人们只能在监控录像中眼睁睁地看着三名宇航员被烧死。阿波罗13号在去往月球途中氧气罐爆炸，失去了大量维持生命用的氧气、电力、水源，三名宇航员在氧气耗尽最后5min启动登月舱，并借助登月舱顺利返回地球，期间无数次与死神擦肩而过。随后在美国航天飞机计划中，NASA继续使用碱性燃料电池作为电源，从1981年哥伦比亚号航天飞机飞行成功到2011年航天飞机全部退役，除正常的电解液氢氧化钾被二氧化碳毒化外，燃料电池系统从没出现过任何意外。

在美苏相继在航天领域取得成绩时，我国也在进行“两弹一星”计划，航天相关任务被拆解为无数个子任务由各个科研机构承担。

国内燃料电池在20世纪50年代末期已有研究，为了发展航天技术，中科院大连化学物理研究所的朱葆琳先生和袁权院士带领团队开始航天燃料电池系统的研制，历经十年攻关，研发出两种航天碱性燃料电池系统，并获得国防科委尖端成果奖，从此又开启了燃料电池在我国的一段故事。

随着太阳能电池、储能电池、核电池等技术的快速发展，燃料电池已经逐步退出航天和部分军事应用，但在民用领域的应用才刚进入高潮，丰田Mirai燃料电池汽车只是起点。

3.燃料电池汽车在各国的发展情况

据衣宝廉院士介绍，从国际上来看，氢燃料电池汽车到现在分三个发展阶段。

第一阶段是1990～2005年。1990年美国能源署开始制订氢能与燃料电池的研发和示范项目，世界发达国家（地区）纷纷加紧氢能与燃料电池的研发部署。当时人们对这项技术的攻关难度理解不够，以为燃料电池车可能在1995年左右实现产业化，以至于巴拉德公司股票涨到190多美元，实际上做出的三辆氢燃料电池车在试验阶段稳定运行很好，但放在芝加哥上路运行不到一个月就全部垮掉了，大家这才意识到燃料电池不适用于汽车的工况。

第二阶段是2005～2012年。用了7年时间终于解决了燃料电池的工况适应性问题，燃料电池比功率达到了2kW/L，在零下30℃也能储存和起动，基本上满足了车用要求。

第三阶段是2012年至今。丰田燃料电池比功率达到了3.1 kW/L，并在2014年12月15日宣布，“未来”氢燃料电池车实现商业化，进入了商业推广阶段，其后，本田与现代也推出了燃料电池商业化车。因此，从商业化角度，有人把2015年誉为燃料电池汽车的元年。

据中国客车网介绍，当前国际氢燃料电池汽车的现状为，氢燃料电池汽车已经度过技术开发阶段，进入到市场导入阶段。燃料电池发动机功率密度大幅提升，已经达到传统内燃机的水平；基于70MPa储氢技术，续驶里程达到传统汽车水平（燃料填充时间＜5min）；燃料电池寿命满足商用要求（5000h）；低温环境适应性提高，可适应-30℃的气候，车辆适用范围达到传统车的水平。通过技术进步降低成本、批量制造的开发以及加氢站的建设成为下一步研发的重心；铂用量的降低，特别是采用非铂催化剂是长期而艰巨的任务。

衣宝廉认为，现在产业化的关键问题是进一步建立生产线、降低成本和加氢站的建设。这是目前全球燃料电池汽车发展面临的共同问题。从燃料电池发动机来看，它现在可以做到跟内燃机互换，就是体积可以跟内燃机进行互换。从寿命来看，大客车已经达到了18000h，小车也超过了5000h，功劳主要是采用了“电-电”混合方式，即二次电池与燃料电池混合驱动策略，使燃料电池在相对平稳的状态工作，大幅提高了燃料电池的耐久性。

从成本来看，目前如果按年产50万辆计，燃料电池每千瓦的成本约为49美元，这个价格是可以接受的。业内有种看法是燃料电池汽车受铂（Pt）资源的限制，现在氢燃料电池铂用量国际先进水平能做到0.2g/kW，国内目前水平是0.4g/kW左右，产业化的需求是要降低到小于0.1g/kW。小于0.1g/kW是什么概念？据衣宝廉院士介绍，就是跟汽车尾气净化器用的贵金属量相当，这是需要依靠技术进步逐步实现的。

衣宝廉院士透露，现在国际各大汽车公司竞争的技术水平都是在燃料电池小客车上体现的，而小客车对加氢站的数量依赖度较高，当加氢站不能够达到像加油站那么普及时，选择大客车、物流车或轨道交通车发展是比较实际的做法。也就是对加氢站的依赖度越低，越容易首先实现燃料电池车产业化，不会让用户产生加氢焦虑。

衣宝廉说，从全球发展来看，燃料电池车现在已经进入商业化导入期，当下的焦点就是降低成本和加氢站的建设。燃料电池发动机从性能、体积上可以实现与传统内燃机互换，低温适应性可以达到-30℃，续驶里程可以达到700km，一次加氢时间小于5min，跟燃油车效果是完全一样的。随着企业界的参与，产品工艺的定型，批量生产线的建立，以及关键材料与部件国产化，相信燃料电池成本会得到大幅度的降低。此外，要加大力度推进加氢站的建设，目前国内一些能源公司、工业副产氢公司及地方政府对加氢站建设表现出极大的兴趣，纷纷制定规划投入开发，开始从事加氢站的建设，从数量上逐渐满足区域性加氢（如公交运营线、物流区等）的需求。

4.典型车企燃料电池汽车发展史

（1）奔驰公司甲醇燃料电池汽车发展史

甲醇又称为“木醇”，数千年来，人们通过“蒸馏木材”来获得甲醇这种可以燃烧的液体，可以算是对生物质“清洁利用”的鼻祖。而甲醇作为一种燃料，最早是在第二次世界大战后期时，德国的原油供应受到限制，需要用一种新的液体燃料来进行替代，当时就对甲醇进行了大量的研究，尤其是甲醇与过氧化氢的混合液，曾经在战斗机上得到应用。甲醇再一次作为燃料进入人们的视野是在20世纪70年代的石油危机以后。当时作为汽车行业的先锋，德国奔驰公司基于S级轿车平台开发出了一款甲醇内燃机轿车（图1-24）。作为燃料，甲醇受到重视不仅限于内燃机，各大主机厂在发展氢燃料电池的过程中，对其重视度也很高。

1966年，通用公司的第一台燃料电池汽车Electrovan采用了“碱性燃料电池”（图1-25），车上携带了氢气罐和氧气罐，从空间布置上来讲，气罐占据的体积比较大。

第一代Necar1：真正现代意义上的燃料电池车搭载PEM质子交换膜的版本算是奔驰公司的Necar车（图1-26）。Necar车有两种诠释法：一个是New Electric CAR，另一个是No Emission CAR，产生这种区别的原因在于是否使用了甲醇作为燃料的来源。Necar系列的车从1994年开始，一共做了5代，和甲醇结下了不解之缘。第一代的Necar，是基于奔驰公司的MB100 的小面包车平台，后厢内放置30kW的质子交换膜电堆，续驶里程为130km，采用高压氢罐、30MPa压力存储的方式。1994年面世的时候，拉开了燃料电池汽车研究的序幕。

第二代Necar 2：1996年，将平台换为V系列的平台，这款商务旅行车的车顶被有效利用起来，增加了更多的实用空间（图1-27）。此时，电堆的功率虽然也是50kW，但是燃料电池的系统输出功率已经可以做到45kW，车辆的续驶里程也增加到了250km以上。也正是在这一代的产品上，开始意识到在续航里程方面储氢罐有较大的局限性。于是在Necar2的基础上开始进行技术分支，导入甲醇作为氢气的来源。与此同时，也开始计划液氢和纯氢气的对比。

第三代Necar 3：在1997年推出的Necar 3上，奔驰公司率先使用甲醇重整技术，将甲醇CH₃-OH重整成为H₂ 和CO₂，将氢气导入电堆发电，氢气即产即用（图1-28和图1-29）。38L甲醇箱内的甲醇可以支持这辆A级车行驶300km以上。这辆车的后座部分被用来放置甲醇重整的装置，电堆被布置在底盘之下。

第四代Necar 4：1999年和2000年推出的Necar 4和Necar 4a（图1-30）同样也是和Necar 3一样的平台、一样的车型，但是它们对于氢的储存方式不一样。Necar 4a基于液体储氢的思路，配置了压力为9kg、-200℃的低温储存箱氢系统。续驶能力达到了450km以上，充分体现了液体氢的优势。一年以后推出的Necar 4依旧采用高压氢瓶，在有限的空间里仅能携带2.7kg的氢气，续驶里程仅200多km。此时的电堆技术已经发展到了75kW的等级。

第五代Necar 5：最有跨时代意义的是2000年推出的Necar 5，这款车在Necar 3的基础上有了很大的性能提升，尤其体现在“减体积”方面。电堆依旧被布置在地板之下，重整器、CO去除装置均被扁平化集成在车底之下（图1-31），具备高度集成化的重整制氢系统，功率达到75kW，续驶里程在400km以上。

在2002年5月20日至2002年6月4日，3辆Necar 5从旧金山出发，横跨美国大陆抵达华盛顿，行程5000 多km，从海平面到2600多m的高海拔地区，这批车每500多km加注1次甲醇，历时14天，完成了测试。项目负责人Ferdinard Panik当时预测到，2010年会有部分车辆量产后租给特定人群。后来定型的F-Cell（图1-32）基于B-Class的高压氢罐类型，共生产了几百台，在德国通过特种租赁的方式进行推广测试。

（2）丰田燃料电池汽车发展史

1996年，丰田推出了第一款燃料电池概念车FCHV-1参加了大阪的游行，这是一款改装自RAV4，采用了10kW的PEMFC和金属储氢装置的FCEV，又称为EVS13。该车的续驶里程达到了250km。

1997年，丰田紧接着推出了第二款燃料电池车型，FCHV-2。该车同样改装自RAV4，搭载了25kW的PEMFC，并且使用了甲醇重整燃料电池，使其续驶里程达到了500km。

2001年3月，丰田推出了第三款燃料电池车型，FCHV-3。这次丰田不再玩RAV4了，改为用汉兰达改装。该车采用了功率高达90kW的PEMFC，依然采用了金属储氢装置。另外，在FCHV-3上丰田使用了镍氢电池作为辅助电池系统，这一设计是参考了普锐斯的动力系统。

2001年6月，也就是推出FCHV-3的3个月后，丰田就推出了其改进版FCHV-4。该车最大的特点是使用了高压储氢罐的方式储氢，共采用4个25MPa的高压气罐，每个气罐体积达到了34L，此举让FCHV的储氢系统重量减少了250kg，达到了100kg的级别。由于当时存储压力较低，FCHV的续驶里程反而减少到了250km。

2002年，丰田推出了在FCHV-4上改进的FCHV，得到了日本政府的认证，并开始在日本和美国进行小范围的销售。并且在2005年，丰田的FCHV得到了日本政府的型式认证（Type Certification）。

2008年，丰田推出了FCHV-adv，也就是这款车搭载了丰田第二代燃料电池。该车依然基于汉兰达的平台改装而来，使用了4个70MPa的储氢罐，续驶里程达到了760km。

2015年，大家熟悉的mirai上线了。10月21日，mirai开始在加州销售和交付。mirai是丰田首款量产的氢燃料电池车。如其名，Mirai被丰田汽车视为“未来之车”。在2017年的东京车展上，人们看到丰田推出的新车型包括概念车在内，都是氢燃料电池车。迄今为止，丰田混动汽车在全球范围内已经销售了1100万辆。如今，国际车坛把混动技术的普及当作是汽车转型入门的开始，即便是插混或纯电动，也都离不开以混动为基础。从那时起，福特和宝马也都积极地与丰田寻求这方面的合作来引起业界关注。

在试驾“Mirai”这款车时，体会最深的是不影响传统汽车的驾驶习惯，没有了发动机的声响，行车的静谧性极佳，一次充气（氢），只需3min，就能行驶500km，与传统车加油的时间相当。这款车的售价是多少？如果折合人民币，那么也只有40万元左右（723.6万日元）。按照丰田2050战略，HEV、PHEV只是短期目标，而中长期目标则要靠FCV，最终要实现零排放目标。而“未来”的推出，表明丰田这一目标的实现已经提前。

尽管“Mirai”还处在实证实验阶段，但按丰田办事风格来看，一项新的技术和成果不到成熟阶段是不会示人的，就像在中国实施双擎战略，先建研发中心，再国产，而后再上市。事实证明，这种“后发制人”的策略，表明丰田对技术的自信和对市场的把握，对前瞻的洞察有充分的准备。尤其是当零差价的双擎（卡罗拉和雷凌）一经问世，就一举成为混动市场的标杆。而今，“Mirai”来了，可以预见，这是继双擎之后零排放的最为理想的终极车。

丰田（中国）投资有限公司董事长大西弘致表示，对“Mirai”实证实验就是为了引进的可行性，并应用到更广泛的商业领域做准备。他认为，“Mirai”是终极环保车，对节能减排有着重要的现实意义。而目前看来，“Mirai”此举对于中国则有捷足先登的可能。

在2014年以前，丰田已经在燃料电池领域取得了技术突破，可以使车用燃料电池的成本从100万美元降到5万美元，降幅高达95%。

丰田Mirai的结构（图1-33）与传统的汽油车或者纯电动车都不一样，如果硬要找出一个类似的结构，可能丰田最畅销的普锐斯跟Mirai会有着一点点相似的结构吧。

Mirai的动力系统被称作TFSC（Toyota FC Stack），即丰田燃料电池堆栈，是以燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。TFSC没有传统的汽油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是电机和电机控制单元。在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心，在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，Mirai加满5kg氢气就可以连续跑上650km。

（3）本田燃料电池汽车发展历史

本田从1999年开始研发燃料电池汽车，在使用巴拉德系统的同时也一直坚持自主研发燃料电池系统。本田的燃料电池汽车被认为可以与丰田的mirai媲美，与其一直坚持自主研发有着密切联系。国内汽车厂商和燃料电池厂商应当从国外的先进企业中吸取经验教训。

在日本，除了丰田之外，本田同样是知名的燃料电池汽车制造商。从1999年开始，本田一直坚持燃料电池汽车的研发，并在1999～2003年坚持每年推出一款新的燃料电池汽车，每次都有着明显的进步，并且在2003年的FCX-V4之时，技术参数已经与现在的燃料电池汽车非常接近。

但在2003年后本田停止了对燃料电池汽车的持续更新，直至2007年才再次推出了一款燃料电池汽车Clarity，这个名字也一直沿用到现在。2007年之后，本田再次“断更”，直至2016年才重新推出了新的Clarity FUEL CELL。

1）FCX-V1＆FCX-V2。1999年9月6日，本田汽车有限公司先后推出了FCX-V1（图1-34）和FCX-V2两款由燃料电池驱动的原型车。这两款原型机均采用本田专为电动汽车设计的EV Plus车身，以及本田自己的小型驱动电机和控制系统。其中，FCX-V1使用了来自巴拉德的固体聚合物燃料电池（PEFC），输出功率达到了60kW，储氢系统使用了合金储氢罐（La-Ni5）。FCX-V2则使用了本田自产的甲醇重整器和自制的PEFC，功率也是60kW。这两款车均使用了动力电池作为辅助系统。

2）FCX-V3。2000年9月，本田推出了FCX-V3（图1-35）。经过了一年的时间，FCX-V3最显著的变化是使用了来自Civic GX的25MPa的高压储氢罐。燃料电池系统依然有两个版本，一个来自于巴拉德，另一个则是本田自制。辅助电池系统则由动力电池换成了超级电容器。V3的续驶里程达到了180kW。值得一提的是，FCX-V3参与了美国加州燃料电池合作计划（CaFCP），去加州进行了道路试验。

3）FCX-V4。2001年9月，本田推出了FCX-V4燃料电池动力汽车（图1-36）。本田对FCX-V4进行了全新的设计，最值得注意的变化是该车使用了35MPa的高压储氢罐，续驶里程也由180km上升到300km。2002年7月24日，本田FCX成为世界第一个获得政府认证的燃料电池汽车。

4）FCX。2002年9月，本田推出了FCX燃料电池汽车原型车（图1-37），并于2002年12月3日在日本和美国交付首批本田FCX燃料电池汽车。FCX是世界上第一个获得美国政府批准商业化的燃料电池汽车。

2003年10月，本田推出了配备FC Stack的FCX（图1-38），这是一款非常紧凑的新一代燃料电池组，具有高性能，可在低温下运行。这是世界上第一个采用冲压金属双极板和新开发的电解质膜的燃料电池系统。同时，它的功率提高到了80kW，汽车续驶里程也增加到了450km。本田开始对车辆的冷起动和驾驶性能进行公开测试，以推动燃料电池汽车更广泛的使用。

5）FCX Clarity。本田在2003年后结束了每年推出一款燃料电池汽车的节奏，直到2007年，本田终于再次发布了新的燃料电池汽车——FCX Clarity（图1-39），这个名字也一直沿用到了现在。本田于2007年11月在洛杉矶车展上推出了FCX Clarity燃料电池汽车。FCX Clarity是一款全新设计的燃料电池汽车，由本田V Flow燃料电池组提供动力。该车的许多参数已经与现在的燃料电池汽车非常接近，比如燃料电池功率达到了100kW，使用了锂离子电池作为辅助电池系统，使用了35MPa的高压储氢罐。由于使用了众多先进技术，该车的续驶里程达到了620km。当时，本田计划在3年内量产200辆FCX Clarity。

又过了9年，本田在2016年3月开始在日本销售全新燃料电池汽车（FCV）Clarity Fuel Cell（图1-40），也就是我们所熟知的本田FCV Clarity。该车使用了本田自研的燃料电池系统，功率达到了103kW，储氢罐压力达到了70MPa，续驶里程高达750km。本田自研的燃料电池系统非常紧凑，前舱就能将燃料电池系统完全容纳。

6）Puyo。此外，在2007年东京车展上，本田还推出了一款燃料电池概念车Puyo（图1-41）。有趣的是，该车使用操纵杆取代了转向盘，最酷的地方则是该车的车身可以旋转360°，因此该车没有倒车的必要。

（4）中国燃料电池汽车发展

我国的氢燃料电池车已经进行了十几年的研发，从“九五”开始，进入“十三五”，已经经过了20个年头。

2008年北京奥运会启用了23辆燃料电池汽车，其中3辆大客车，20辆轿车。2009年有16辆车到美国加州进行了试验。2010年上海世博会，一共有196辆燃料电池车参加了运营，燃料电池的功率是50kW，锂电池的功率是20kW，此外还参加了新加坡的世青赛。北京奥运会用的公交车在北京801路上进行了示范运行，燃料电池的功率是80kW。

在这之后，上汽进行了“2014创新征程万里行”活动，燃料电池车、纯电动车和插电式混合动力车三种车型参加了示范，燃料电池汽车在全国14个省、市、自治区的25个城市运行了超过10000km，接受了沿海潮湿、高原极寒、南方湿热、北方干燥的各种考验。客车方面宇通推出了第三代燃料电池客车，氢燃料加注时间仅需10min，测试工况下续驶里程超过600km，尤其是成本下降了50%。此外，福田燃料电池客车也亮相北京奥运会和上海世博会。近年来，技术又得到了提升。近期，上汽大通V80氢燃料电池版轻型客车，采用新源动力电堆驱动，最高车速可达120km/h。

国家公布的《中国制造2025》重点技术领域技术路线图中，关于新能源汽车发展规划里面提到，到2020年要实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力；在2025年之前，我国氢能汽车方面的制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。为了推行氢能燃料电池汽车，国家出台了相应的补贴政策，同时国务院办公厅提出：对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200kg的新建燃料电池汽车加氢站，每个站奖励400万元。相信沿着这个目标，我国的氢燃料电池汽车，尤其是氢燃料电池客车必定会有一个大的发展机会。

5.五大建议促氢燃料电池汽车产业化

针对中国氢燃料电池汽车发展问题，衣宝廉院士结合多年研发和实践工作，着重讲了他的五个建议，具体如下。

（1）实现关键材料的批量生产

希望有志于燃料电池事业的企业家，投资建立燃料电池关键材料与部件的批量生产线，实现燃料电池关键材料与部件的批量生产，建立健全燃料电池的产业链。

（2）提高燃料电池电堆和系统可靠性和耐久性

希望研究车用工况下燃料电池衰减机理的科研单位与生产电堆和电池系统的单位真诚合作，开发控制电堆衰减的实用方法，大幅度提高电堆与燃料电池系统的可靠性与耐久性。

（3）空气压缩机、储氢瓶和加氢站

加快车用燃料电池系统用空气压缩机与70MPa氢瓶的研发和加氢站建设。加大科研投入，联合攻关；空气压缩机也可采用引进技术，合资建厂。

（4）加速轿车用燃料电池技术的开发

开发长寿命的薄金属双极板，大幅度提高燃料电池堆的重量比功率与体积比功率；开发有序化的纳米薄层电极，大幅度降低电池的铂用量和提高电池的工作电流密度；采用立体化流场，减少传质极化。

（5）加强整车的示范运行与安全实验。扩大燃料电池电汽车示范运行。

针对国内氢燃料电池汽车市场化上述五个建议，衣宝廉院士详细解释如下：

第一是关于实现关键材料的批量生产。

目前，我们国产氢燃料电池发动机为什么比国外贵？其中一个因素就是我们的材料都是进口的，这些材料包括催化剂、隔膜、碳纸等。其实，这方面国内已经取得了一定的研发成果，如国内的催化剂、复合膜、碳纸等从技术水平上已经达到或超过国外商业化产品，急需产业界投入建立批量生产线，实现国产化。

第二是提高电堆与系统的可靠性和耐用性。

现在中国的氢燃料电池车整体而言其实不比德国的、美国的、日本的车差，但可靠性和耐用性还有待于提高。所以我希望研究车载工况下燃料电池电堆衰减机能的科研单位与电堆和电池系统的生产单位真诚合作。

燃料电池系统的寿命不完全是由电堆决定的，还依赖与系统的配套，包括燃料供给、氧化剂供给、水热管理和电控等等，系统内部关系搞不好，电堆里边“生活环境”就不好。就像现在国人讲养生，首先是身体基因，更重要的是生活环境、个人保健等一系列事情，电池的寿命也是一样的。

大连化物所在燃料电池衰减机理及控制策略方面，已经开展了一些卓有成效的工作。研究表明采用限电位控制策略，可以显著降低燃料电池起动、停车、怠速等过程引起的高电位衰减。采用“电-电”混合策略，可以平缓燃料电池输出功率的变化幅度，对延长燃料电池的寿命起到了决定性的作用。此外，氢侧循环泵、MEA在线水监测等措施可以有效地改善阳极水管理，可以提高燃料电池耐久性。

第三是关于燃料电池系统用的空气压缩机与70MPa氢瓶的研发及加氢站的建设。这是涉及燃料电池示范运行的一个大问题。希望我们国家能够加大科研投入，联合攻关。鉴于我国在燃料电池车载空气压缩机技术方面比较薄弱，建议采用引进技术与自主开发相结合，尽快推进。高压氢瓶方面，建议尽快建立70MPa IV型瓶的法规标准，氢瓶成本还要进一步降低。加氢站方面，尽管国家有补贴政策，但成本还是比较高，近期，可以根据燃料电池商用车或轨道交通车区域或固定线路运行的特点，建立区域性加氢站，满足示范运行需求，随着燃料电池汽车数量的增大，加氢站也会逐步增多，这是市场发展的必然趋势。

第四就是加速轿车燃料电池的开发。

商用车看重的是可靠性和耐久性，对质量比功率和体积比功率没有太高的要求；轿车是各大汽车公司比拼的地方，因为车辆内空间有限，轿车要求重量比功率和体积比功率较高。现在都要达到3kW/L以上。国内我们大连化物所电堆体积比功率已经达到了2.7kW/L，接近国际先进水平。还要在高活性催化剂、低Pt电极、有序化MEA、3D流场方面做些研究工作。

第五就是加速燃料电池汽车示范及安全实验。

最近，联合国环境开发署三期“促进中国燃料电池汽车商业化发展”示范项目已经启动，计划在北京、上海、郑州、佛山、盐城5个城市进行燃料电池汽车示范。此外，云浮等地方政府也在积极推动示范运行项目，这是个好事，但还远远不够，还要加大示范力度。

再就是安全性问题，这是老百姓比较关注的事情。一听说燃料电池带高压氢，大家都害怕。其实氢气比较轻，它的扩散系数是汽油的22倍，氢气漏出来以后很快就向上扩散了，不像汽油，漏出来以后就滞留在车的旁边。汽油着火是围绕车烧的，氢气的火是在车辆上方的，所以氢气在开放空间里是非常安全的。但氢气在封闭空间的安全性要引起足够重视，如家用氢燃料电池车在车库里，这个车库要加氢传感器，而且要加上通风装置，以防发生危险。现阶段建议载有氢燃料的车最好露天停放。

总之，目前我国政府非常重视新能源汽车的发展，燃料电池汽车迎来了好的发展机遇。科研院所与企业界要联合攻关，继续完善燃料电池技术链，发展燃料电池产业链，加快促进我国燃料电池汽车商业化发展。

目前，燃料电池汽车样车开发和示范运行都已证明其技术的可行性，但要达到实用化还面临着很多的挑战，主要有以下几点。

（1）燃料电池的寿命需要进一步提高

目前燃料电池的使用寿命只有2000～3000h，而实用化的目标寿命应大于5000h。因此，减缓和消除工况循环下材料与性能的衰减、增加对燃料与空气中杂质的耐受力、提高零度以下储存和起动能力等成为研究的热点。

（2）燃料电池的成本要大幅度降低

2005年，美国能源部依据现有材料与工艺水平，预测在批量生产条件下燃料电池系统的成本为108美元/kW，到2010年达到的目标成本是35美元/kW。为此，需要研究满足寿命与性能要求的廉价替代材料（如超低Pt用量的电极、大于120℃高温低湿度膜等）与改进关键部件的制备工艺，并逐步建立批量生产线。

（3）解决氢源和基础设施问题

结合本地资源情况，选择合适的制氢途径，进行加氢站的建设和示范，同时开展车载储氢材料和储氢方法的研究，延长整车的续驶里程。

思考与讨论

认知民族电池品牌在国际上的地位；

对民族品牌树立信心，以民族品牌为荣。

案例1 2022年全球10大电动汽车电池制造商

2022年10月09日留学早报快讯：2022年全球10大电动汽车电池制造商出炉。

宁德时代，中国创业板第一大上市公司，全球锂电龙头企业，从某种意义上说，它代表着中国新能源产业链的未来。

请同学查阅相关资料讲解我国锂离子电池产业“跟跑-并跑-领跑”的发展历程，以及比亚迪“刀片型”新结构动力电池技术。

课后题

简答题

1）简述纯电动汽车发展史。

2）简述混合动力汽车发展史。

3）简述燃料电池汽车发展史。

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