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新能源汽车燃料电池的研制与洁净空气
本文回顾了我国新能源汽车(新能源汽车)政策的背景，以及加速燃料电池(燃料电池)快速发展所需解决的关键科学和市场挑战。 开拓市场。讨论了中国市场的全球意义、关键参与者、核心FC技术以及未来的研究点。
关键字：新能源汽车(EV)、电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、蓄电池电动汽车(副)燃料电池汽车(副)、燃料电池母线范围、聚合物电解质膜燃料电池(FC)、固体氧化物燃料电池(氢)
1. 介绍
十年前，中国成为世界上最大的汽车生产国，2017年超过美国将成为世界上最大的石油进口国。2017年中国新乘用车销量将超过每年2500万辆 [1]仅2017年9月，汽车在中国的销量就达到了2,709,0000辆，比2016年9月增长了5.7%。汽车生产和销售增长达到指数增长预期，但道路运输排放的增加也将对中国的城市空气质量和温室气体排放产生量化的影响[2]。这种排放模式已经变成 不符合中国在气候变化和保护人类健康方面的政策。这种不可持续的发展方式导致现如今的排放量高于受管制的排放量[3]，北京等城市空气质量普遍存在的问题。今天，城市空气污染对人类健康有重大影响；2013年，由于空气污染使全球经济损失了2,250亿美元，甚至使全世界的福利损失高达万亿美元，相当于印度、加拿大和美国的国内生产总值的总和，[5]根据世界银行的这一项研究表明，仅2013年中国就因空气污染而损失了相当于10%的GDP。如果汽车保有量继续遵循西方模式，在2100年中国将拥有100亿辆汽车 [6]。
环境保护和经济增长促进了中国城市交通的发展，为了解决城市交通与排放相结合造成的问题。因此，政府制定了一项与西方模式不同的清洁车辆国家战略，主要是为了解决城市污染问题[7]。同时，在世界各地，越来越多的人认为投资清洁能源这是一种投资责任，促使大量投资转向清洁能源。中国的几项国家和地方政策也鼓励了新能源的发展 以电池技术为基础的动力汽车和燃料电池(燃料电池)等其他非燃烧技术为技术依托，可以提高每台电池和每台电池的性能[8]。这也是中国为履行气候变化所做的义务，根据“联合国气候变化框架公约”每5年审查一次的温室气体减排目标[9]。结果显示，中国对清洁能源汽车的激励措施目前已经已经在燃料电池方面取得成效。
本文回顾了政策制定的背景，以及在快速发展的转型市场中加快解决关键科学和应对市场挑战。对全球产生重要影响的中国是关键的参与者，需要对处于核心技术的燃料电池技术进行探索.
2.中国的清洁空气：这是环境保护的需要
车用的可再生清洁能源在许多发展中国家的增长速度快于发达国家的国家，因为它在经济上和环境上都是更适合的[10]。化石燃料排放的总体后果有两方面的影响：(1)城市空气质量的不佳对世界各地数十亿城市居民造成了不良影响；(2)气候变暖[2].交通运输排放约占全球温室气体排放量的四分之一，而且是城市空气污染的主要来源。虽然重工业造成的空气污染在中国仍然很严重，但是 这些来源的占比正在稳步减少，而与汽车尾气相关的污染正在增加。据世界银行称，由空气污染引起的全球疾病负担日益沉重，空气污染带来的健康损害超过了艾滋病、结核病或疟疾等疾病的危害，使其成为了2014年最大的公共健康风险[11]。现代化的公路运输系统造成了每年150万人死亡和7960万人的健康受到威胁。
世界卫生组织(世卫组织)发布的2008至2013年间空气污染的主要趋势的报告显示，全球城市空气污染水平上升了8%，总体上，空气污染水平在发达国家最低[12]。自1950年代以来，欧洲和北美成功地实施了减少空气污染(主要来自劣质煤)的战略[4]。在汽车大规模引入城市之后，针对汽车排放问题的政策干预有所发展，这是在20世纪60年代的“清洁空气法案”(清洁空气法案)产生的背景，这当时是全国性的。农村地区也逐渐取消烧煤采暖。交通服务改善包括城市规划，提供公共交通服务，以及在市中心收取交通挤塞费，使其缩短行车距离。 并将公路货运转向铁路和航运，并计划在许多欧洲城市禁止燃烧汽油和柴油的车辆。然而，即使有政府干预政策，城市的空气污染还继续影响着数十亿人；到2016年，将有92%的世界人口生活在低过世卫组织空气质量标准的地区[13]。控制城市空气污染上升的趋势需要来设置法案来抑制不断增长的车辆的数量。
在2015年12月的联合国缔约方会议“巴黎协定”为全球经济从化石燃料转向低碳技术提供了监管基础[9]。各国政府(包括美国，中国)都同意控制温室气体排放，将全球平均气温上升幅度限制在低于2摄氏度内，以此防止危险的气候变化情况的产生[10]。然而，尽管研究表明，通过更换传统汽车来减少当地的空气污染，温室气体的排放只能减少部分。在中国，用煤炭的火力发电的占到了30%[14]。因此，通过推广低碳燃料，可再生清洁的部署对中国的碳排放减少至关重要， 因此必须发展清洁能源技术。由于总排放量的趋势仍然是在上升中，现在需要大幅度削减排放量。最近在英国和其他国家宣布了将在2018年禁止城市中使用化石燃料作为动力的汽车。全球投资者越来越多地将化石燃料视为投资组合中的一种风险，这确实是一种风险。从化石燃料到清洁能源的投资。这种所清洁技术将在运输部门产生大量的研究和商业前景。或者说，该计划的目的是向中国和全球市场提供这些清洁的产品。
3.我国清洁汽车发展的独特条件
在全球范围内，能源的需求正在增加，发展中国家有机会减少它们的温室气体排放；全球23%的与能源有关的温室效应是由碳排放造成的。[16]由于在这方面资规模的扩大，中国国内市场正迅速的从化石燃料转向清洁技术，如太阳能发电，风力发电，在中国，混合动力电动汽车(简称电动汽车)现在是一种新型的化石燃料汽车，监管机构同时仍然鼓励其他的技术进步，例如燃料电池(Coelcell)，这些技术可以转化为化石燃料的替代品，促进温室气体的排放量进一步下降。自2015年以来，中国一直是世界最大的新能源汽车生产商，并已确定8%的汽车是由“新能源”驱动的，到2020年这一比例将到达为12%[7]。 太阳能光伏和电池生产[日化]中国已经在世界领先，参与的部门能够达到快速生产和销售的水平，燃料电池技术的进步解决了要通过扩展范围和延迟延长充电时间的缺点，给出了一个典型的燃料电池模型。因此，这些经济、社会发展的原因是中国落后于德国和英国等国发展电动和氢燃料汽车的主要原因，但这不完全是由于发展零排放车辆[18]失败的原因。这些国家政策是对于公民和社会有益的，这也是符合中国发展的经济的目标。这个目标同时有减少空气污染及其他环境及食物污染，以确保空气标准安全
图1.2012年世界卫生组织(世卫组织)公布的全球环境空气污染导致的死亡人数分布情况(年龄)
图2.丰田燃料电池汽车(改进型)
该战略的技术成果也与被视为与促进经济发展的其他政策相一致。特别是，相应的政策在战略上是 “2025年中国制造”一致的，目的是让中国企业从西方的零部件系统(通常是通过制造)开发出合理的解决方案。 以最低的价格，以全球领先的创新力量塑造产业。党的第十九大(2017年10月)提出的党的最新五年规划要求中国企业将专注于智能绿色制造。中国的目标是通过创新研究与开发和知识产权来提升制造业价值链。促进知识产权发展。同时，和英国、美国德国也在探索合作模式，通过规模制造在清洁能源领域建立有价值的研发基地[10]。正如光伏市场所证明的那样，提高中国的生产能力的目的是通过降低成本来打开清洁汽车市场的大门。
中国光伏产业，既是一个制造业，也是一家高科技行业。该行业在全球的价值估计为1，000亿美元，今后预计每年将增长13%。2016年，中国占全球光伏发电能力的一半左右，它的规模是其他国家产业的两倍。从光伏和电池行业中可以得到很多来自于制造业的经验教训。 正在被建造成生产小型系统[10]。上世纪90年代初，德国鼓励了屋顶太阳能电池板的发展，当时被证明是如此的流行，以至于太阳能电池板的产量无法满足需求。英国、意大利和西班牙也出台类似政策，显示了欧盟市场对中国制造商的弹性。中国 的光伏产业尽管市场不稳定，利润微薄，但制造业能力仍在稳步提高。随着全球光伏价格的上涨，中国的国家需求也在扩大；各地区政府都支持当地的光伏发电公司，他们也有别出心裁的计划来进一步降低价格。
除了从煤炭转向光伏之外，中国已经通过技术干预来解决污染问题。中国实施了全国范围的计划，以减少生物质燃烧(包括原有空气污染)的影响。包括一些针对家庭的污染解决计划[20]。在20世纪80年代，中国政府资助了国家改进炉灶计划，为农村家庭提供更多的改良煤用于取代重质煤，用于烹饪和取暖。
4.中国的发展趋势：新能源汽车
正如太阳能电池板所显示的那样，由于全球所有乘用车中只有0.2%是电动的(约200万辆)，因此中国市场在2016年提前扩大了这一比例[23]。中国建立了对制造能力和产能部署的支持部门[24]。中国政府自2000年以来推行了各种计划，目标是到2012年，发展工业、创造就业和出口，减少城市污染，减少对化石燃料的依赖。主要包括发展电池电动汽车(动力汽车)和燃料电池混合动力汽车(燃料电池混合动力汽车)，包括混合动力汽车。目前离子电动汽车(电动汽车)占主导地位.车载电源选择中的关键参数(3)是由车辆模型决定的。中国和其他国家的商业竞争是复杂的，但预测长期发展的核心技术是电池和电池。如果中国想要在欧洲禁止化石燃料内燃机的城市发展，仍然需要在材料研发、制造基础设施和等方面进行大量投资。
中国的电池技术已经从大规模制造中发展出来，从而拥有了制造能力、广泛的生产部署/反馈和拥有基本的成本削减能力[24]。虽然生产成本下降了，但是对生产成本的激励措施却无限期地存在。中国通过各种金融激励方案对市场进行了测试，达到了要求的最高水平。想要批量生产低成本的车辆，取决于电池或燃料电池成本的大小，能够改装的程度。如今还包括了免税， 税收抵免，优先车道等发展优势，再加上政府对公共物品的购买协议。通过对市场反应的探索，有利于我国深层次激励这个行业的发展。
图3.为汽车燃料电池开发电源或量程时所考虑的关键参数
4.1.蓄电池电动汽车
国家政策[25]很早就认识到发展电动汽车是防止城市空气污染和能够成为一项战略性新兴产业，这到目前为止还一直是。到2010年一直有试用奖励方案 ，在选定的城市中，对于私人购买该商品，可以将补贴直接支付给消费者，直到一定达到一定数量的销售，但在2011年，尽管获得了补贴，在中国销售的却只有8，000辆。2013中央政府对购买全电动汽车和公共汽车进行补贴，与2013年同期相比，2014年8月销量增加达到了328%[23]。2016年6月，国家能源管理局和国家能源管理局发布了“能源评估” 科学创新行动计划(2016-2030)和行动计划[26]。市场对这些政策做出了充分的反应，成为新的政策创造了一个成功的新模式，并在2017年9月之前成功达到了目标的销售额，同比增长79%[23]。基于2017年前9个月的生产(单位)，2017年在中国的产品销售将达到更高的水平。 将比2016年增长了40%。
中国目前拥有数百家电池制造商，前5制造商占据了汽车市场的70%。供应商继续投资电池材料，因为他们得到了有希望的核心竞争产品。例如，长城汽车以购买了西澳大利亚的锂资源部分股权。 2017年中国拥有最大的份额的汽车动力电池市场(30%)。成为美银汽车新技术公司的股东，并继续获得电池技术和大规模制造能力。宝马已经和中国最大的汽车制造商在2017年宣布了成为合作伙伴关系。公司将成为宝马在中国最大的汽车电池生产商，将拥有中国汽车电池市场五分之一的份额。随着市场的扩大而放开生产[24]。这些新合资公司(如宝马合资公司)的投资预计将用于生产高压电池。
与燃油车不同的是，电动车不能提供足够的行程，因为它们更重，目前甚至连最好的锂电池每公斤储存的能量也比汽油少得多[4]。他们还要求长时间的工作，现在的电池汽车虽然只需要燃烧汽车所需能源的一半，但情况却是如此。电池组仍然是成本的主要组成部分，这推动了零售价格上涨，所以如果对于增加销售、扩大生产规模和对现实世界的技术评估来说改进电池一直是最重要的议题。
4.2.燃料电池汽车
燃料电池的研制成功为车载燃料电池的研制开辟了可能性，将燃料中的化学能直接转化为电，不燃烧，有更高的转化率，有低排放甚至零排放的优势。他们使用含氢的燃料(包括基础的碳氢燃料，如液化石油气、乙醇等)，并在燃烧中产生零污染。纯氢可以减少温室气体排放。氢气可以用天然气生产，或者用碳氢化合物作为燃料，那么与今天的燃烧常规碳氢化合物相比，温室气体排放总量将减少50%
当氢完全代替碳排放源或低碳源时，温室气体排放量将减少90%[27].在许多部门和领域都是有广泛前景的，氢被越来越被看作是清洁的“能源来源”，类似于电[28]。在技术上已经证明了诸多诸如阿波罗任务等领域，以及在军事项目中燃料使用电池系统能量。 这是其他技术无法达到的-例如，在便携电源和士兵便携电源方面目前通常是一种机载电池，这是一种较少使用电池。高效率的充电可以甚至在静止的情况下完成。这种电池通常被认为是具有竞争力产品，但实际上如果在燃料电池系统补充了电池，车辆的更新换代则更加容易，因此，目前对纯电池进行了三种改进：(1)在一次填充上将行程扩展到300英里，(2)重复使用，再充电时间缩短到需要几分钟，(3)降低系统重量，(4)扩展容量[8]。
电池电压范围，决定于恒负载，大小主要满足车辆的平均功率下使用，而不是峰值功率所需的加速度。 从而实现了电池动力的成本效益和环境效益，加上全里程范围内代替燃料的驱动。质子交换膜电池目前在汽车中占主导地位，但是大量氢的供应，建立供应的基础设施和系统费用降低
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