當前汽車行業的技術發展熱點：安全、節能、環保。

其中，為提高節能和環保性能，可以采取的技術措施總的來說包括：

1. 重點從整車重量和幾何尺寸入手，降低現有車輛的行駛阻力

2. 提高現有汽/柴油內燃機的熱效率

3. 采用替代燃料（能源）

4. 采用以電動車輛為代表的新型動力技術

就目前的技術水平而言，各種方案都具有一定的可行性；但也存在一些問題，而有些目前很難解決的矛盾，是制約該技術發展的根本因素。

汽車的輕量化設計和低風阻技術，也是近年來的行業研究重點之一。但不得不承認，對于大多數車輛來說，由于制造成本的限制（主要是新型高強度、低密度材料）以及運輸任務的要求，大幅度減輕重量和幾何尺寸存在較大困難。（輪胎的新技術可以降低滾動阻力，但滾動阻力對整車的行駛阻力來說往往不是主要的。）

大幅度改進現有內燃機的熱效率，無疑是提高燃料利用率、降低單位行程污染物排放的極其有效的手段。但限于熱機循環的熱力學性質，以及內燃機研究、制造的水平，想要內燃機在整個工作區間（即不同的轉速和轉矩/功率）內都有較高的熱效率，是不現實的。而單純由常規內燃機驅動的車輛，隨著行駛環境和駕駛員意圖的不同，又不得不在相當大的工作區間工作。

替代能源技術的研究目前發展很迅速。如各種醇類（添加）燃料、壓縮天然氣、液化石油氣、氫氣以及生物柴油等（比較前瞻性的還有可燃冰等）。

常規內燃機稍加改動，就可以使用這些替代能源，的確可以明顯減少對石油燃料的依賴，而且其排放污染物也比汽油、柴油少得多。

但目前存在的問題主要有：替代燃料車輛的動力性比采用石油燃料要差；替代燃料的產能遠不及石油，有的還需要犧牲大面積的耕地；其制造和儲運環節存在安全問題；其補充設施（主要是各類加氣站）目前還不夠普及；氫氣和生物采油等制備成本并不低。

電動車輛技術

電動車輛則是另一個節能、減排的發展方向。此處所指的“電動車輛”，是一個廣義概念，大體上包含下列分支：純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車。

一、純電動汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅動、而沒有其他動力設備和能源裝置的車輛。其動力系統很簡單：電池組—電動機—車輛傳動系…

電動機的效率遠高于內燃機，而且在工作時沒有任何化學污染物的排放，對節能和環保都有很大的意義。而且其機械傳動和控制系統也不是非常復雜。

但純電動車輛也存在一些問題：

（1）最主要的，純電動車輛電池組的能量密度偏低。無論采取何種先進電池技術，就目前技術水平而言，單位重量的電池所能儲存的電能，遠低于同樣重量燃油所能釋放出來的機械功。這就意味著，要么犧牲動力性和續駛歷程、要么極大的增加車載電池的重量。而對于很多運輸任務而言，這兩個選擇都是難以接受的。

（2）另外，純電動車輛的充電場所和充電時間都存在問題。

（3）如果我們深入研究其能量轉換鏈，會發現，純電動車輛最終很可能還是依賴化石燃料（或者水電、核能；單純的太陽能或者風能等完全清潔能源基本上不現實）。

石油或者煤炭經過發電設備轉化成電能、經過輸變電、給電動車的電池充電、再由電池放電給電機做功。能量轉換次數較多，最終對化石燃料的利用率并不很高；而且所謂“零排放”只是對于車輛行駛環境而言，發電的過程及其設備維護很可能還是存在污染。（對于發電行業來說，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，開發出了流化床燃燒和整體氣化聯合循環發電技術，但這種努力的結果是：機組規模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規模的污染仍然沒有得到根本解決。）

（4）大容量電池組的成本較高，維護較復雜，其制造和維護過程中很可能會產生大量污染物。

二、燃料電池車輛

目前車輛行業界的一個共識：電動車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術目標，就是燃料電池。

1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉換裝置，是通過連續供給燃料從而能連續獲得電力的發電裝置。由于其具有發電效率高，適應多種燃料和環境特性好等優點，近年來已在積極地進行開發。

依據電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

2.基本結構與工作原理

（1）燃料電池

燃料電池從本質上說是一種電化學裝置，其基本組成與一般電池相同。

為實現較大功率的輸出，燃料電池通常由若干“單體電池”組成。與普通電池類似，單體燃料電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。

不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能連續地發電。

這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

氫-氧燃料電池原理圖

這個反映是電觧水的逆過程。電極應為：

負極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

電池反應：H2 + 1/2O2==H2O

另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發生的反應為：

燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1）

空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）

全體：H2+1/2O2 = H2O （3）

氫氧燃料電池組成和反應循環圖

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e- 經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e- 不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應，H2 所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，參與電化學反應的電極存在一定的電阻，電流通過時會引起了部分熱能產生，由此減少了轉換成電能的比例。

表1 燃料電池的分類

（2）燃料電池電動車的系統組成

組成燃料電池電動車的動力系統有三個關鍵零組件，即

①重組器（reformer）：將甲醇、汽油等液體燃料重組為富氫氣（hydrogen-rich）氣體燃料，提供予燃料電池反應。

②燃料電池（fuel cell stack）：燃料電池是燃料電池電動車的動力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應并產生電流與電壓，同時產生廢熱（水）等副產物。

③電力轉換器（inverter／converter）：將燃料電池產生的電力轉換為直流電或交流電，或具備升壓或降壓以調整電力輸出。

3.技術特色及發展現狀

燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。

根據工作溫度的不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型