燃料电池技术论文

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燃料电池技术论文范文第1篇

关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；电极；催化剂

1质子交换膜燃料电池的结构及原理

按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五类。PEMFC单电池由质子交换膜、气体扩散电极、双极板等构成，图1是其结构与工作原理示意图。

PEMFC的基本工作过程如下：

（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；

（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极侧积累；

（3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间形成一个电势差；

（4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；

（5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC就可以连续工作，对外提供电能。

2质子交换膜燃料电池的特点

（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限制，其理论热效率可达85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内，而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。

（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。

（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会导致整个动力系统的瘫痪。

（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。

（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放。以重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，PEMFC噪声水平也很低，各结构部件均可回收利用。3研究现状

3.1关键部件

电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。

电解质膜是PEMFC的核心部件，它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年开始用于燃料电池，其商业型号为Nafion，至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高，各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。

双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用，目前广泛采用的是以石墨为材料，在其上加工出引导气体流动的流场，基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。

铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂，为提高利用率，铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前广泛采用的担体为乙炔炭黑，比表面积约为250m2/g，平均粒径为30nm。

PEMFC的气体扩散电极由两层构成，一层为起支撑作用的扩散层，另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备，应具备高孔隙率和适宜的孔分布，不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同，催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。

3.2测控系统

PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响，为确保PEMFC正常运行，提高其可靠性和有效性，就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态，并对收集到的信息进行必要的分析和处理，以便做到故障预测和及时诊断，为PEMFC管理系统提供依据。目前，进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多，但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备，不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。

4质子交换膜燃料电池的应用

质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低，还体现在其可在较大的电流密度下工作，适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景，PEMFC已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前，通用、丰田等世界上知名的汽车公司，都在积极开发以PEMFC系统为动力源的PEMFC电动车，曾先后推出各种类型的样车，并进行PEMFC电动车队的示范运行。PEMFC电动车以其优异的性能和环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注，甚至被认为将是21世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。

此外，在航空航天特别是无人飞行器领域，以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。

5质子交换膜燃料电池的发展趋势

在关键部件方面，围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵，开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来，新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在100℃以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面，研制高性能抗CO中毒电极催化剂是最紧迫的任务，此外，还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率，但成本较高，加工难度大，强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。

在电堆方面，今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池的性能，这就需要对电堆的结构进行优化，保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境，并优化水、热管理，改善电流密度分布的均匀性。

参考文献

燃料电池技术论文范文第2篇

关键词：电力电子；能量管理系统；电能质量控制

中图分类号：TU852文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 14-0000-01

Power Electronics and New Energy Power Generation Technology

Yang Lin

(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)

Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.

Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control

我们已进入21世纪，这是一个全新的时代，经济的高速发展给人们的生活带来了很多的便利，但随之而来的却是能源的耗竭，原本丰富的能源如今已变得匮乏，并危及到人们未来的生产生活。与此同时，毫无顾忌的能源利用还造成了大气的严重污染，从而又引发能源危及，这样的恶性循环会直接危及到人类的发展，甚至威胁人类的健康和繁衍。因此，开拓新能源，减少能量源浪费成为当今世界最为关注的话题。

一、新能源的发电方式

（一）太阳能发电

太阳能发电开始于上世纪50年代，当时，第一块实用的硅太阳电池研制成功，如今，太阳能发电技术已经经历了半个世纪的发展，其技术也在日益成熟。目前，占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图1所示，太阳电池阵列进行光电转换，把太阳能变为电能，再由功率变换器将太阳电池输入到直流电中，最后转换成用户所要使用的电源模式。根据用户的需求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。而功率变换装置还应包括蓄电池系统，主要是为了平衡电流。如果太阳光充足，可以利用太阳能，并利用蓄电池充电；如果在夜晚或者阳光不充足时，就可以使用蓄电池供电。

（二）风力发电

如今，风力的主要运用方式就是风力发电，它的发展速度最快，也最受全世界关注。风力发电主要有3种运转方式：

1.独立运行方式，利用一台小型的风力发电机向需要的用户提供电能，它还可以通过蓄电池充电，预防无风时影响发电效果；

2.风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，主要向交通不便或偏远山区供电，以及地广人稀的草原牧场提供电力；

3.并网型风力发电运行方式，将风力发电网安装在条件较好的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这也是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速的条件下运行，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，所以，通常要配置电力电子功率变换器，通过这种装置控制电流，保证输出的电压是平衡稳定的。

（三）燃料电池发电系统

燃料电池（Fuel Cell）是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。它通过燃料（通常是氢气）和氧气结合所发生的光电反应来发电。燃料电池发展了这么久，根据电介质的不同，主要分为5种燃料电池：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔盐燃料电池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。

实际上，燃料电池也有其优点，例如：发电效率高：发热少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料电池发电主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。

燃料电池所输出的电压会随着电压的变化，发生较大范围的变化。燃料电池的输出电压在负载发生突变时还要经过一段时间才能停止反应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达2秒。因此，燃料电池一般与负荷动态的具体要求无法很好的匹配。

二、电力储能技术

可再生能源发电装置所产生的电能主要还存在无法预测的周期性变化，例如风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而电力储备装置就可以平衡能源发电输入与电网之间的矛盾。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等它们都各具特点，各有优势，但它们的正常运行主要是依靠电子电力技术。

蓄水储能与压缩空气储能主要是对电力高峰期进行调节，但是对地理条件的要求较高。电池储能的精密性高，需要在技术成熟的条件下进行，理论上可以用于电力调峰，单电池使用寿命有效，这成为蓄电技术的难点。飞轮储能的储能量有限，运行复杂，一般用于电能质量调节。

三、电能质量控制

（一）电源谐波检测和分析技术

谐波的测量和分析都是以思想谐波治理为前提条件的，精准的谐波测量和分析可以为谐波的治理提供准确的依据。自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量得到了普遍应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，不然就会严重影响其效果。因此，怎样减少因同步偏差而引起的测量误差成为电子电力技术人员迫切要解决的难题。

（二）电能质量控制和管理

首先，电能质量的控制和管理主要包含功率因数校正和滤波器设计，由于传统的无源滤波器体积和重点都很大，还需要对不同的频率进行设计，而功率因数较技术正是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。如今，电能质量控制和管理的研究重点在与PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制，软开关技术与PFC技术的融合已经成为未来的发展趋势，虽然目前的PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。

四、总结

综上所述，随着科技的发展，新能源的开拓和使用技术越来越成熟，但是，要真正做好新能源发电技术，还需要从解决先存的各种问题，因此，电子电力技术人员应在在电气、电子、控制和信息等工程技术领域加强合作研究，通过系统集成和技术融合，实现各种技术的突破，我相信，我们一定可以克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。

参考文献：

[1]Rechten H.可再生能源技术[A].中美清洁能源技术论坛论文集[C],2001

[2]汤天浩.新能源与变换:系统集成、技术融合及应用展望[J].电源技术学报,2004,2,1

[3]李俊峰,高虎,王仲颖.中国风电发展报告[M].北京:中国环境科学出版社,2008

[4]戴慧珠,陈默子,王伟胜.中国风电发展现状及有关技术服务[J].中国电力,2005,38,1

燃料电池技术论文范文第3篇

本书共有46章：1.云层状况对太阳辐射质量的比较研究；2.以满足基本负荷为目标的可再生能源集成系统探索；3.可变混合物的有机朗肯循环性能研究4.以双地热为基础的集成制氢系统测评；5.基于两种可再生能源的多能源系统遗传算法优化；6.综合能源系统的性能评估；7.两段式热泵干燥系统的性能评估；8.基于核能的混合硫循环和使用HEEP方法的高温蒸汽电解系统比较评估；9.固体氧化物燃料电池和基于生物质气化微型燃气轮机的热力学分析；10.工作液可变的朗肯循环能量分析；11.热化学储能系统：设计，评估和基于充电温度的参数研究；12.季节性分层热能储藏系统的热力学评估；13.基于太阳能的微型热电发电系统发展；14.单效吸收式储能器的瞬态过程分析；15.全球变暖与建筑物形貌对地源热泵系统性能的影响；16.拉贾斯坦邦的聚光太阳能发电现状；17.带有贮热水箱的太阳能喷射式制冷系统动态性能分析；18.宿舍供电用光伏太阳能电池和燃料电池联合系统；19.低能耗示范用住宅的空气源热泵和太阳能热联合供暖系统研究；20.零下低温区的太阳能热水器；21.恒定输入功率的定日镜场中央接收器系统建模；22.无吸收器单通道太阳能空气集热器；23.带有短距散射器的太阳能发电站；24.甘油水相化可再生能源制氢与水滑石衍生物提取铜镍催化剂的利用；25.混合结构成分与官能团的热解条件；26.阿尔及利亚太阳能分布图；27.带有真空管太阳能集热器并集成加湿和除湿功能的太阳能海水淡化系统研究；28.海上风电场的选址优化；29.小型风力发电机叶片设计；30.基于液体浸没等离子体的笼形水合物变形制氢方法；31.伊朗家用、商用和农业部门中基于风能的便利分布式发电选择系统；32.麦克默里堡住宅楼地热空间加热系统的综合监测；33.地热系统中的热传输特性分析；34.阿尔及利亚地热应用前景分析；35.垂直地埋管换热器的季节性热流变化分析；36.面向家庭供暖与供冷的垂直管道地热泵系统；37.地源热泵系统中能源桩热响应试验分析；38.纵向和横向片式散热器的性能比较；39.新加坡能源系统的建模分析；40.低温热源驱动的发电供热集成系统分析；41.压缩天然气和柴油功能的垃圾收集车可靠性评估；42.厌氧混合堆中垃圾渗滤液的厌氧处理和沼气生产系统；43.对帕多瓦城市热岛的实验调查；44.微波增强型橡胶树热解；45.提高水电双供厂的装机容量和效率；46.水电双供厂的建模仿真分析。

本书第1作者Ibrahim Dincer是安大略理工大学机械工程系教授，也是工程和应用科学学院的项目负责人。他独自撰写或合作撰写过几十本书，发表过的期刊和会议论文被引用超过1000次，还发表过很多技术报告。他曾多次主持国内与国际会议、担任会议主席。他还参与了很多国际知名会议的初创工作，包括国际能源与环境专题讨论会等。他曾经担任过300余次主题演说，还担任着多种国际期刊的主编和编辑，如《国际能源研究期刊》，《国际燃烧热力学期刊》，以及《全球变暖研究》等。

本书采用独特的方式，融合了最新的技术信息、研究成果和成功示范应用，旨在吸引大量工程师、学生、工程实践人员、科学家和研究人员，为他们展现可持续能源技术的最新发展。

宁圃奇，博士，研究员

（中国科学院电工研究所）

Puqi Ning，Associate Professor

（Institute of Electrical Engineering，CAS）Giovanni Petrecca

Energy Conversion and

Management

2014

http：///book/

10.1007/978-3-319-06560-1

燃料电池技术论文范文第4篇

“提高学生综合素质，培养学生创新能力”是新世纪人才培养的重要目标。从事化学专业人才培养的高校教师应当将综合素质和创新能力的培养贯穿于整个教学工作中，将理论知识的传授和实践能力的训练有机融合[1-2]。“化学综合实验”课程的设置恰能符合这一人才培养方向。综合实验不仅是化学理论知识、方法原理的综合，而且是实验手段、实验基本操作技能、实验仪器设备的综合。近年来，各大院校均对“化学综合实验”课程的设置进行了整合与更新，优化了课程知识结构，追踪科技前沿，提高学生学习兴趣和创造力。在此形势下，以科研促进教学显示出了不可忽视的作用。在黑龙江大学化学学科教研人员的科研水平逐步提高的背景下，学院提倡将教师的科研课题引入到“化学综合实验”的教学中，以科研促教学，以教学辅助科研。学生在课程中不但体验到了科学研究的基本思路和过程，还学习和观摩了一些大型、先进科学仪器的操作与维护，这既培养了他们科学的思维方式又锻炼了他们实事求是、严谨的科学态度和刻苦钻研的科学作风。

一、以科研促进“化学综合实验”教学模式改革的方案设计

（一）合理设置实验项目

合理地设置实验项目，不断更新先进、新颖的实验内容是与时俱进的教学理念的完美体现，也是响应国家关于“抓紧建立更新教学内容的机制，加强课程的综合性和实践性，重视实验课教学，培养学生实际操作能力”号召的必要措施[3]。首先，针对“化学综合实验”的教学特点，教师应根据自己的科研方向，结合当前的研究热点确定合适的实验内容。转化为实验教学项目的研究成果必须是成熟的科研成果，确保实验整体的科学性、系统性、实用性和先进性。为此，结合学生的知识背景和化学研究领域的热点，我们围绕教师承担的国家以及省部级科学基金项目，衍生出相??的综合性实验。例如，作者多年来一直从事固体电化学及器件方面的科研工作，研究课题涉及了固体氧化物燃料电池（SOFC）相关材料的合成与性质研究。因此选择课题中实验方法比较成熟的一部分开发为“化学综合实验”课程内容。我们设立了综合实验“固体电解质纳米粉的制备、陶瓷成型及离子电导率的测试”。固体氧化物燃料电池以其发电效率高、能量密度大、燃料使用范围广等优点受到广泛关注。电解质作为SOFC的主要组成部分之一，其主要作用是在阴极、阳极之间传递氧离子和对燃料及氧化剂的有效隔离。目前Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）是SOFC中研究最热、利用最广泛的电解质材料。YSZ的离子电导率不仅与掺杂浓度有关，而且还与粉体的制备工艺、烧结密度密切相关。这个实验课程的完成过程，既让学生领略了新能源领域的最新发展动态，了解了新型绿色能源的研究背景和重要意义，又让他们学习了固体氧化物燃料电池的工作原理及对其相关部件的要求和发展现状，同时还了解了电解质材料的制备工艺对其离子电导率等相关性能的影响，又让学生从全方位角度领会和理解了新型燃料电池材料研发人才应该具备的知识和技能以及燃料电池关键材料开发领域的技术状态。为了提高学生的创新能力，我们还在实验中安排一些自由设计环节，比如在陶瓷成型和烧结工艺环节中，学生可以自主设计实验参数和操作来获得实验结果，并对结果进行分析与讨论得出一些非预见性的结论，从中引导和启发学生的创新思维。

（二）详尽介绍课题，开展资料调研，学生制定实验设计报告

作为科研成果转化成具体综合实验内容的教学过程的主导者，教师应该在实验开展之前给学生详细地介绍课题研究的意义和背景。尽量将学生掌握的理论知识结合起来讲解实验相关原理和内容，拓展知识面，让学生充分感受理论学习的重要性，提高学以致用的积极性。同时提出实验要求，实验开展过程中的重点和难点等，并提出一些与实验关键内容有关的问题，布置学生自主查阅相关的文献资料和书籍，制定详细合理的实验方案。通过查阅的资料并经过分析和讨论，学生整理出详尽的实验设计报告，内容应该包含以下内容：研究背景和国内外研究现状、实验的目的和意义、实验材料和实验仪器设备、实验方案和具体实验步骤、实验结果与讨论（包括数据记录与处理以及对实验结果的分析讨论）。教师要认真审阅学生提交的实验设计报告，保证实验方案的合理性和可行性。对不符合要求的实验设计报告教师要及时与学生讨论并做出完善和修改。对于有些学生的创新性设计要尊重其想法并在实验条件允许的情况下合理地布置实施。整个文献调研和实验设计环节，不但使学生掌握了基本的文献检索和调研手段而且促进了学生将理论课程知识与实践的横向联系，充分调动了学生进行科研的主观能动性。有效避免了以往照方抓药，学生不动脑思考的弊端，提高了学生的综合素质[4]。

（三）建立健全仪器设备使用与管理制度

综合实验要求学生具有安排与开展专业实验的综合能力，在此阶段的学生经过了基础实验对基本实验技能和动手能力的训练，更要将理论知识联系实验过程，培养创新思维，感悟科研的真谛。在此过程中，2―3人一组的实验模式既要求大家有独立自主的动手能力，又要求他们发扬团队精神，协作精神，集思广益，讨论问题，解决问题，保证实验的顺利进行。

“化学综合实验”课程开展中大型表征和测试仪器的使用是保证实验顺利完成的必要因素之一。由科研项目转化而来的实验项目往往用到的是项目指导教师课题组或者专业实验室的相关仪器和设备。教师在学生开展实验之前应当带领学生参观实验室，把需要用到的实验仪器和设备的用途、操作规程做介绍，必要的项目需要亲自示范操作。比如，在“固体电解质纳米粉的制备、陶瓷成型及离子电导率的测试”实验中教师需要事先为学生讲解并且示范陶瓷压片模具的使用方法、高温炉的使用方法和电化学工作站的测试方法。在整个实验进行过程中，实验室或者实验中心应当做好仪器设备开放使用的安排，并且加强实验室管理，建立健全实验室规章制度，制定仪器设备具体操作规程和管理措施以保障实验教学的顺利完成。

在实验进行的过程中，学生要按照设计好的实验路线认真操作，记录好实验现象和实验数据。教师全程跟踪指导，在学生遇到问题的时候引导释疑，在实验结束后进行点评和总结[5]。

（四）按照科技论文标准撰写实验报告，进行实验结果汇报

实验报告的撰写是对整个实验过程中的现象和结果的综合分析与讨论，是最能体现学生分析和总结能力的环节。在此环节中，我们摒弃过去固定模式的实验报告形式，要求学生以科技论文的形式完成数据讨论与总结，对数据的处理不再是简单的数据罗列和图形展示，要从中总结和归纳数据变化规律，与实验设计过程中的理论预期相对照，解释现象和原因，做到环环相扣，实验结果与理论推导相互验证。完成实验报告的撰写之后，每一名?W生还要对其实验结果进行汇报和答辩。实验结果的口头汇报及答辩不仅极大地提高了学生的学术交流能力，也是对以往综合实验成绩评价方式的重要改革。我们将综合实验的成绩评定分成几大部分，前期文献调研和实验方案设计、实验过程以及报告撰写与答辩各占不同比例，重点落在实验过程和报告撰写与答辩上。公开汇报实验结果的方式既体现了成绩评定的公平性，又有效避免了同组学生报告雷同的现象。同时，对于优秀的实验论文，可以让学生进一步完善并推荐其在校级以上级别的刊物上发表，激发学生做科研的成就感[6]。

二、以科研促进“化学综合实验”教学模式改革的效果分析

燃料电池技术论文范文第5篇

随着我国汽车产销量突破1800万辆，成为世界最大的汽车产销国，私人交通的便利与国家能源之间的矛盾更加突出。2011年，我国交通用油呈持续快速上升趋势，石油进口量迅速增长，原油对外依存度超过55%（已超过美国的53.5%）[1]。另外，受资源环境约束，汽车行业的减排压力仍将持续增加。在这一背景下，我国把新能源汽车列为国家战略新兴产业之一，主要发展方向确定为插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，简称PHEV）和纯电动汽车（BatteryElectricVehicles，简称BEV）。同时，在国家新能源汽车发展规划草案中提出，计划到2020年，新能源汽车产业化程度和市场规模达到全球第一，其中新能源汽车保有量达到500万辆；以混合动力汽车（HybridElectricVehicle，简称HEV）为代表的节能汽车年销量达到世界第一[2]。然而，由于新能源汽车整车及电池成本难以下降，新能源汽车的市场表现一直“叫好不叫座”。对此，丰田汽车技术部长表示，让消费者接受新能源汽车，必须注重其经济效用。而从经济性看，如果燃料能减少到一定程度，对消费者会是比较有吸引力的。近年来，随着电池技术的不断发展，车用动力蓄电池已经由低存储能量密度的镍氢电池替代为锂离子电池，例如，日本的丰田普锐斯（Prius）混合动力汽车曾使用镍氢电池作为动力电池，配置容量约为1.3kWh。目前，新能源汽车已经开始使用能量效率更高的锂离子电池，2012年即将上市的日本丰田公司插电式混合动力电动汽车就是使用4.4kWh的锂离子电池作为动力电池。我国著名的汽车企业比亚迪公司多年来一直专注于电池储能以及基于磷酸铁锂电池的电动汽车研发，相继推出了双模电动车及纯电动汽车，引领着我国电动车行业的发展。比亚迪公司凭借电池领域的技术积累，在增加电动汽车续驶里程、提高经济性方面表现突出，为我国新能源汽车广泛推广奠定了基础。新能源汽车的经济性是消费者做出购买决策的最重要因素之一。因而，分析新能源汽车与传统燃油汽车的经济性对比，有重要的现实意义。目前的文献中，大部分是将传统燃油汽车与纯电动汽车的全生命周期成本进行了分析。消费成本是基于电价与油价不变的状态下进行计算的，因而，无法综合评价在资源、能源约束下，新能源汽车较传统燃油汽车的经济性。针对上述问题，本文首先考虑了汽油价格与电价的变化因素；其次，在将传统燃油汽车与纯电动汽车消费成本进行比较的基础上，结合插电式混合动力汽车的成本分析，建立了插电式混合动力汽车成本计算模型。另外，以国产新能源汽车-比亚迪车型为分析对象进行经济性对比分析，更具有现实意义。

1新能源汽车的类型及行驶特点

1.1新能源汽车的类型

新能源汽车是指采用非常规的汽车燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。根据动力源的不同，新能源汽车主要分为3种：混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车（FuelCellVehicle，简称FCV）。除此之外，新能源汽车还包括氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。混合动力汽车按发动机和电机功率比的大小可分为轻度混合、中度混合和重度混合动力汽车。日本本田公司的Insight轻度混合动力汽车，实现了35km/L的低油耗和80g/km的低CO2排放量[3]。全球销量超300万辆的丰田Prius混合动力汽车，排放水平也已经达到了SULEV（超低排放水平）的标准，而且，综合油耗只有5.1L/100km，仅为同等排量内燃机汽车的2/3[4]。重度混合动力车型，一般情况下电机的峰值功率和总功率的比值大于30%，比起轻度混合、中度混合两种车型来，重度混合动力车在减少二氧化碳排放量和节油方面效果更明显。重度混合动力汽车燃油消耗量比同等效能的汽油发动机节省约30%～40%；而二氧化碳排放量减少则高达30%。因此，在纯电动车技术及配套设施完全成熟之前，混合动力汽车将是汽车节能减排的主要手段，尤其是重度混合动力汽车技术能够将节能减排工作落到实处。目前，我国重点发展的电动汽车主要包括插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车。纯电动汽车指主要依靠蓄电池提供动力运行的电动车，需要配套的充电环境与蓄电池。与传统的燃油汽车相比，电动汽车在能效、排放和经济性上有较大的优势。由于电动汽车不用燃烧汽油、柴油等燃料，因而，在行驶过程中几乎是“零污染”，相对城市环境而言属于零排放清洁汽车。考虑充电电源结构，纯电动汽车的减排潜力大约为13%～68%。同时，纯电动汽车可以节省石油资源并提高能源效率，其能源利用效率比传统燃油高出46%以上，但存在一次充电后续驶里程较短等问题[5]。插电式混合动力电动汽车可以直接由外接电源充电（可以使用家用电源插座，例110V/220V电源），并且在行进过程中可以对混合动力系统中的储能电池充电。插电式混合动力汽车具有电动汽车的全部优点，例如低排放、低噪音、高能效等。而且，插电式混合动力汽车的续驶里程是纯电动汽车的10倍左右（纯电动汽车一次充电后的行驶里程大约为160km，插电式混合动力汽车的行驶里程为1600km以上）[6]。相比传统的混合动力汽车，插电式混合动力电动汽车不仅降低了有害气体、温室气体的排放，还提高了燃油经济性和动力性能。因而，插电式混合动力汽车的市场接受度可能相对高于纯电动汽车。燃料电池汽车也是电动汽车的一种，其电池能量是通过氢气、甲醇等化学反应产生电流而获得的。燃料电池车辆的能效比内燃机高2～3倍，而且全程无污染，因此，从能源利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。清华大学牵头自主研发的燃料电池城市客车在北京2008年奥运期间以及在奥运之后在北京开展了为期1年的商业化载客运行，并成功完成了3万km的公交示范运行[7]。燃料电池汽车虽然存在成本及燃料供应的问题，但是由于其具有较好的新能源优越性，因此它仍将成为未来全球汽车行业的研究方向。

1.2新能源汽车的行驶特点

如表1所示，混合动力汽车、插电式混合动力电动汽车、纯电动汽车都需要依靠电动机驱动行驶。其中，混合动力汽车和插电式混合动力汽车需要两种动力来驱动，而纯电动汽车只需电池驱动。混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。两种动力系统可以使混合动力汽车续驶里程更长；电池单独驱动时，还可实现“零”排放。插电式混合动力汽车的运行模式大致可分为电量消耗模式、电量保持模式、常规充电模式（图1）。各模式之间可以根据功率需求和电池的荷电状态（StateofCharge，简称SOC）进行无缝切换。插电式混合动力汽车是由混合动力汽车进化而来的，但是传统混合动力汽车以内燃机为主，电动为辅，而插电式混合动力车是以电动为主，在电池电力耗至使用临界点，无法及时充电时才以内燃机为辅。混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。两种动力系统可以使混合动力汽车续驶里程更长；电池单独驱动时，还可实现“零”排放。插电式混合动力汽车的运行模式大致可分为电量消耗模式、电量保持模式、常规充电模式（图1）。各模式之间可以根据功率需求和电池的荷电状态（StateofCharge，简称SOC）进行无缝切换。插电式混合动力汽车是由混合动力汽车进化而来的，但是传统混合动力汽车以内燃机为主，电动为辅，而插电式混合动力车是以电动为主，在电池电力耗至使用临界点，无法及时充电时才以内燃机为辅。

2新能源汽车的经济效果分析

本文以比亚迪燃油车F3、双模电动车F3DM（插电式混合动力汽车）、纯电动汽车E6为分析对象，研究未来10年，新能源汽车与传统燃油车购买成本与运行成本比较；试图考虑未来10年期间油价变化、电价变化等因素，分析传统燃油汽车与新能源汽车的总成本变化趋势及经济效果。

2.1模型建立

前面已对各类型新能源汽车行驶原理做了简单介绍，燃油汽车和纯电动汽车只需依靠燃油驱动或电池驱动即可。而混合动力汽车和插电式混合动力汽车具有燃油驱动、电驱动、油电混合驱动等多种运行模式，计算其油电成本相对复杂。因此，本文为计算插电式混合动力汽车的行驶成本，提出了下列各成本计算模型。（1）PHEV的年耗电成本计算模型假设每天对PHEV充电1次（在PHEV的纯电动模式下比亚迪F3DM的1天最大行驶公里数为60～100km），基于年均行驶公里数、电池容量以及电价，纯电动模式下的年耗电成本可基于下式（1）计算：式中：Cyearelec为纯电动模式下的年耗电成本，元；Dyearelec为1年中纯电动模式下的等效行驶天数，d；Myearelec为整车年均行驶公里数，km；MdayBEV为纯电动模式下1天行驶公里数（取值应小于或等于PHEV在纯电动模式下可续航里程），km；Pelec为电价，元/kWh；EbatBEV为MdayBEV所对应的电池使用电量。（2）PHEV的年耗油成本计算模型基于上述假设以及年均行驶公里数、燃油价格，混合电动模式下的年耗油成本可基于式（2），（3）计算。即，根据PHEV的行驶原理，①当日平均行驶里程小于或等于纯电动模式下1天可行驶公里数时，PHEV的年耗油成本为0；②当日平均行驶里程大于纯电动模式下1天可行驶公里数时，PHEV将启动油电混合动力模式，以保证正常行驶路况需要。此时，基于下式（3）确定PHEV的年耗油成本。（3）PHEV的年耗油电成本计算模型结合上述，PHEV的年耗油成本计算模型和年耗电成本计算模型，本论文基于式（4）确定PHEV的年耗油电成

2.2电价与油价计算方法

计算未来10年（2012～2021年）燃油汽车与新能源汽车的燃料成本时，首先需对未来10年年平均燃油价格与电价进行预测。关于未来10年电价情况，本文依据中国电力企业联合会的《电力工业“十二五”规划研究报告》进行计算。报告中指出，当前平均电价约为0.6元/kWh，未来10年中国电价年均增长3%[8]。关于未来10年汽油价格，本文依据国际油价走势和我国近10年平均汽油价格数据进行计算。目前，我国成品油价格主要取决于国际原油价格的变化。而国际油价主要取决于对原油的需求变化、美元指数的涨跌、债务危机、地缘政治与天气等多种影响因素的变化。但是，无论影响因素怎样变化，油价总体将呈上升趋势。国际能源署（IEA）署长田中伸男曾在第2届全球智库峰会上表示，由于需求的增长速度可能会超过生产的速度，因而，今后10～20年国际油价将持续攀升。而且，国际能源署还警告说，由于对石油生产投资不足，国际油价可能很快（在2015年）升至创纪录的每桶150美元[9]。在这一背景下，本文以近10年我国平均汽油价格为基数，进行油价趋势的回归分析与预测（图2）。分析得出2021年汽油价格约为12.93元/L，而当前93#汽油价格约为7.65元/L。

2.3比亚迪ICEV，PHEV及BEV的参数配置

本文以国产汽车-比亚迪传统燃油汽车与新能源汽车为研究对象，其参数配置如表2所示。比亚迪F3（2009款1.6智能白金版自动挡）燃油汽车排量为1.6L，价格为8.08万元；比亚迪双模电动车F3DM低碳版系插电式混合动力汽车，排量仅为1.0L，16.98万元是厂商指导价（补贴前价格）；而比亚迪纯电动汽车E6的厂家指导价格为36.98万元（补贴前价格），由于电池容量为60kWh，汽车重量达2295kg。

3结果分析

本文分别计算了年均行驶里程为1.5万、3万、4万km时，传统燃料汽车与新能源汽车10年期的使用总成本（根据北京交通发展研究中心的数据，北京私人小汽车年均行驶里程约为1.5万km。公车年均行驶里程为3万～4万km）。同时，本文还对新能源汽车政府补贴前后的经济性进行了比较。根据补贴办法，纯电动车每辆最高补贴6万元；插电式混合动力汽车每辆最高补贴5万元；1.6L及以下节能车补贴3000元。深圳市政府还宣布，在国家为插电式混合动力车每辆最高补贴5万、纯电动车每辆最高补贴6万元的基础上，为两类车型分别最高追加3万元和6万元补贴，即最高可获8万元和12万元补贴。另外，国家还出台了对新能源汽车减免车船税等措施，未来也可能收取碳税，这都将增加新能源汽车的经济性，但本文在比较中只考虑实际补贴的部分。

3.1案例1

案例1中，首先，探讨并对比分析了比亚迪F3燃油汽车和比亚迪F3DM的成本计算结果。图3为年平均行驶里程1.5万km、且无政府补贴时的两种车型经济性比较结果图。如图3所示，不考虑政府补贴时，由于传统燃油汽车（InternalCombustionEngineVehicle，简称ICEV）的购买成本较低，一直保持着较高的经济性，而随着使用年限的增多，燃料成本逐渐增加，2020年时，ICEV的“购买+使用”的总成本与PHEV持平。也就是说，年均行驶1.5万km的消费者以当前市场价格购买ICEV和PHEV，2020年时方能体现出PHEV的相对经济优势。但是，如果考虑目前我国对新能源汽车购买补贴金额（即国家对PHEV补贴5万元/辆），4年之后（即2016年）PHEV的经济性便会显现出来。图4、图5显示了年均行驶里程分别为3万km和4万km时，ICEV与PHEV的经济性比较结果。如图4所示，年均行驶里程越多，PHEV越能体现其相对经济性。不考虑国家补贴的情况，年均行驶3，4万km的消费者，到2016年PHEV便可体现其经济性；而对于年均行驶1.5万km的消费者，到2020年才会体现相对经济性（图3）。如果考虑国家补贴，对于年均行驶3万km的消费者，购买PHEV不到两年便可体会带来的相对经济性；而对于年均行驶4万km的消费者，购买第1年便可体会其经济性（补贴5万后，F3DM价格为89800元，与ICEV的价格相近）。对于纯电动汽车，虽然行驶过程中无需耗油成本且电价相对低廉，但是，由于最初的购买成本较高，因此，相对经济性并不明显。在年均行驶1.5万km时，即使购买补贴达到12万元（按照深圳市对购买新能源汽车的补贴办法计算，PHEV补贴8万元、BEV补贴12万元），成本依然很高。而在年均行驶里程达到3万km，且购买补助达到12万元时，到2018年，BEV对ICEV的相对经济性才可体现出来。图6为年平均行驶里程达到4万km并考虑政府补贴时3种车型的经济性比较。如图6所示，2018年以前，传统燃油汽车与新能源汽车的经济性比较结果为PHEV＞ICEV＞BEV；而车辆使用年限超过7年后，BEV的经济性要优于ICEV。因此，通过数据与图表分析发现，对于年均行驶里程较多，并且可享受国家补贴的车辆消费者来说，PHEV是非常有吸引力的。而且，一些地方政府为促进新能源汽车推广，实施高额补贴政策。这些举措将增加电动汽车的市场需求。其中，PHEV将会越来越多地被私人家用汽车市场所接受，并逐渐替代传统燃油汽车。而电动汽车虽然具有节能减排的优点，但是，如果不降低电池及整车成本，被消费者接受还需要一个发展过程。

3.2案例2

在案例2中，集中探讨不同电池容量配比下的比亚迪E6纯电动汽车的经济性比较结果。如前面所述，比亚迪E6的车载电池容量约为60kWh，电池充满状态下可行驶300km。而对于一般家庭用私人轿车而言，每天行驶里程通常不足300km，且不超过60km的较多。因而，如果消费者可以根据自身需求，对车载动力电池容量进行选择，那么不仅可以提高纯电动车的经济性，还可以实现车辆轻量化。目前，锂离子电池价格约为4.5元/Wh[10]。表3为以4.5元/Wh的电池价格所计算的不同电池配比下的车辆成本。如表3所示，减少车载电池容量，可使购车成本下降。如果日平均行驶里程在100km以内，可以选购电池容量搭载较低的电动汽车。例如选择车载电池容量为20kWh的纯电动汽车，不仅可满足100km行驶需求，车辆价格也相对降低。因而，可大大提高纯电动汽车的经济性以及利用率。

4结论

通过对比亚迪ICEV，PHEV，BEV等3种代表性车型进行经济性比较和分析，结果表明，电动汽车运行成本远低于燃油汽车，但根据燃油价格变化以及政府补贴与否，电动汽车总成本可能会高于燃油汽车。

（1）新能源汽车的经济性在行驶里程多的情况下，更为显著，尤其是PHEV，即使在没有政府补贴的情况下，依然有较高的相对经济性。在年均行驶里程为1.5万km时，2020年时，ICEV与PHEV的总成本持平，PHEV运行10年的总成本略低于ICEV；而在年均行驶里程达到3万～4万km的情况下，2016年，PHEV对比ICEV的相对经济性便可体现，因而，对于消费者而言，有较大的吸引力。目前，在我国电动汽车市场呈现有效需求规模不足的情况下，有必要以汽车利用率高、行驶里程多的消费群为切入点进行推广、普及。