作者：胡浩然，袁悅博丨EDC電驅(qū)未來(lái) 

1824 年，法國(guó)人Sadi Carnot 描述了一種利用熱能做功的最高效率的循環(huán)──Carnot 循環(huán)。1876 年，德國(guó)人Nikolaus Otto 開發(fā)了實(shí)用的四沖程點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是現(xiàn)在所說(shuō)的Otto 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。與此同時(shí)，出生在法國(guó)巴黎的德國(guó)學(xué)生Rudolf Diesel，在博物館看到了一件中國(guó)古代的“點(diǎn)火棒”， 英文叫 “ Firestick”。這種“打氣筒式的點(diǎn)火器”給他留下了深刻的印象。Diesel 認(rèn)真研究了Carnot 循環(huán)和Otto 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后，構(gòu)思了一種像中國(guó)點(diǎn)火棒一樣運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)。1892 年，他申請(qǐng)了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明專利。但當(dāng)時(shí)所用的是花生油而不是柴油。后來(lái)，Diesel 發(fā)明的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。他去世后，人們?yōu)榱思o(jì)念他，石油工業(yè)界將汽油蒸餾工藝的副產(chǎn)品──柴油命名為Diesel。120 多年后的今天，柴油機(jī)（diesel engine）作為商用車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力仍然處于主導(dǎo)地位。至今依然在商用車、發(fā)電設(shè)備、海運(yùn)等工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出旺盛的生命力。

商用車包括用于運(yùn)輸貨物或乘客的輕型商用車、重型卡車、客車和公共汽車。商用車的動(dòng)力總成通常指一組部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)軸，這些部件將存儲(chǔ)的能量（化學(xué)、熱能、電位等）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，用于推進(jìn)目的。

1769 年，法國(guó)的Nicholas Cugnot 建造了一輛蒸汽動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車廂，時(shí)速為6 英里（1 英里 ≈ 1.609 km）。1825 年，由英國(guó)Goldsworthy Gurney 爵士建造的古爾尼蒸汽汽車在10 h內(nèi)完成了85 英里的往返旅程。1830 年，Gurney 設(shè)計(jì)了一輛由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型舞臺(tái)教練車，該車可能是第1 輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型巴士。

1896 年，Gottlieb Daimler 制造了第1 輛機(jī)動(dòng)卡車。它有1 個(gè)四馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)和1 個(gè)皮帶傳動(dòng)帶，具有1 個(gè)反向和2 個(gè)前進(jìn)速度。第1 家制造卡車的美國(guó)公司是1898 年的溫頓公司。溫頓卡車實(shí)際上是1 輛單缸六馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的送貨車。在20 世紀(jì)早期，公路上的電動(dòng)車輛比燃?xì)鈩?dòng)力汽車多，這鼓勵(lì)了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（hybrid electric vehicles, HEV）的發(fā)展。

在20 世紀(jì)初的10 年，美國(guó)通用電氣(General Electric)和德國(guó)西門子(Siemens) 都生產(chǎn)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車作為商用車。1905 年，美國(guó)工程師H. Piper申請(qǐng)了1 款燃?xì)狻妱?dòng)混合動(dòng)力汽車專利，其中電動(dòng)機(jī)將幫助內(nèi)燃機(jī)改進(jìn)車輛加速。1916 年，美國(guó)克利夫蘭的電動(dòng)汽車制造商Baker 和芝加哥的Woods 生產(chǎn)了混合動(dòng)力汽車。Woods 聲稱，他們的混合動(dòng)力車可以達(dá)到每小時(shí)35 英里速度，燃油效率為每加侖 [1 gal(美) ≈ 3.785 L ] 48 英里。

因?yàn)楸绕桶l(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的扭矩和更高的熱效率，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自20 世紀(jì)30 年代起發(fā)展成為商用車的主要?jiǎng)恿?。?1 世紀(jì)的今天，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的重型商用車仍然是主要貨物運(yùn)輸工具之一。

圖1 全球商用車產(chǎn)量

到2018 年，包括輕型、中型和重型卡車、客車在內(nèi)的全球商用車產(chǎn)量超過2 600 萬(wàn)輛(圖1)，對(duì)中國(guó)和其他新興市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)做出了貢獻(xiàn)。目前商用柴油機(jī)的最高熱效率在46%左右。按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局給出的數(shù)據(jù)，交通運(yùn)輸，倉(cāng)儲(chǔ)和郵政業(yè)年柴油消耗總量在1 億t 以上。如果柴油機(jī)的最高熱效率提升到50%，且整體平均效率同樣提升10%左右，每年可節(jié)省燃油1 000 萬(wàn)t，減少CO2 排放3 000 萬(wàn)t。

本綜述回顧了近30 年來(lái)在柴油機(jī)、混合動(dòng)力、燃料電池等商用車動(dòng)力總成技術(shù)的發(fā)展， 探討商用車動(dòng)力總成最高系統(tǒng)效率超過 60% 的可行性。

在內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換傳遞的第1 步是燃料燃燒，燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高溫高壓混合氣的內(nèi)能，這一步的效率主要取決于燃燒效率；第2 步是燃?xì)庾龉?，高溫高壓氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為活塞-曲軸-飛輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)能，這一過程的效率取決于熱力學(xué)定律的限制；第3 步即是機(jī)械能經(jīng)過變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到車輪，推動(dòng)車輛前進(jìn)。

1824 年，法國(guó)工程師Sadi Carnot 定義了熱機(jī)在2個(gè)熱源的簡(jiǎn)單循環(huán)過程中的極限效率，這個(gè)極限值被稱為Carnot 循環(huán)效率。Carnot 循環(huán)闡明了熱機(jī)效率的限制，指出了提高熱機(jī)效率的方向 ( 提高高溫?zé)嵩碩1，降低低溫?zé)嵩碩2，減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近Carnot 循環(huán))，成為熱機(jī)研究的理論依據(jù)、熱機(jī)效率的限制。實(shí)際熱力學(xué)過程的不可逆性及其間聯(lián)系的研究，導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的建立。

Carnot 循環(huán)由2 個(gè)等溫過程和2 個(gè)絕熱過程組成。在這一系列過程中，熱力學(xué)過程的效率是限制系統(tǒng)效率的主要因素。氣缸內(nèi)的循環(huán)過程可以使用壓力-體積圖（P-V 圖）進(jìn)行描述。理想熱機(jī)使用的Carnot 循環(huán)如圖2 所示。

圖2 Carnot 循環(huán)

在Carnot 循環(huán)中，工質(zhì)經(jīng)歷等溫壓縮（①→②） -絕熱壓縮 （②→③） -等溫膨脹 （③→④） -絕熱膨脹（④→①）4 個(gè)過程。在等溫壓縮過程中，工質(zhì)向低溫?zé)嵩碩2 放熱Q2。在等溫膨脹過程中，工質(zhì)從高溫?zé)嵩碩1 吸熱Q1。每循環(huán)對(duì)外做功Q1-Q2。根據(jù)熱力學(xué)定律，可推導(dǎo)出Carnot 循環(huán)熱效率為

Carnot 循環(huán)效率即為熱機(jī)系統(tǒng)的最高效率。

大約在1680 年，荷蘭物理學(xué)家Christian Huygens發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)原始模型。1862 年，法國(guó)科學(xué)家Alphonse Beau de Rochas 獲得了內(nèi)燃機(jī)專利，但沒有制造四沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；16 年后，德國(guó)人Nikolaus August Otto 成功制造了1 臺(tái)四沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，它被稱為 Otto 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖3)。

Otto 循環(huán)是火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的理論熱力學(xué)循環(huán),由2 個(gè)可逆過程和2 個(gè)等容過程所組成。在理想汽油機(jī)循環(huán)（Otto 循環(huán)）中，循環(huán)過程變?yōu)榻^熱壓縮（①→②）- 等容加熱（②→③） - 絕熱膨脹（③→④） - 等容放熱（④→①）。Otto 循環(huán)的效率為

圖3 Otto 循環(huán)

其中： ε 為循環(huán)壓縮比； γ 為氣體比熱容比，是工質(zhì)氣體的熱力學(xué)參數(shù)。

理想Diesel 循環(huán)（圖4）將等溫吸放熱過程變?yōu)闉榻^熱壓縮 （①→②） - 等壓加熱（②→③） - 絕熱膨脹（③→④） - 等容放熱（④→①）。等壓加熱過程吸熱，等容放熱過程放熱。

圖4 Diesel 循環(huán)

Diesel 循環(huán)的效率為

其中： Ti 為第i 點(diǎn)的溫度( i = 1～4)； Cv 為等容比熱容； Cp為等壓比熱容； ρ 為膨脹比，即V3 / V2；ε、 γ 定義同上文。

Diesel 于1892 年發(fā)明往復(fù)式壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)并申請(qǐng)專利 (見圖5)。當(dāng)快速壓縮氣缸的空氣， 空氣就被加熱，氣缸中的燃油通過快速壓縮點(diǎn)火, 并達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的目的。

圖5 1900 年Rudolf Diesel 在法國(guó)巴黎世界博覽會(huì)上展示使用花生油（生物燃料）作為燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)

大多數(shù)商用車中使用的內(nèi)燃機(jī)是四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都用于輕型和中型商用車。但是，渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用于大多數(shù)重型商用車。

從發(fā)動(dòng)機(jī)理想效率公式可以看出，提升壓縮比（ε）是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率最直接的方式。但在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用中，壓縮比的提升存在上限。例如，壓縮比過大后，使氣缸內(nèi)的溫度、壓力過高，超過發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)極限。此外，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)燃?xì)獗饐栴}，限制了壓縮比的提升。

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，可達(dá)到的最大壓縮比是不同的。例如，對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在混合氣進(jìn)氣量較少的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可以有更高的壓縮比，以提高低負(fù)荷狀態(tài)下的效率。而在高負(fù)荷狀態(tài)下，需要降低壓縮比，以避免爆震和損壞。這一需求推動(dòng)了可變壓縮比技術(shù)的發(fā)展。通過缸蓋、氣缸、曲軸等部件的設(shè)計(jì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整壓縮比。

從燃油的角度，在汽油中混合各類添加劑也能夠提高汽油的燃爆極限，以支持發(fā)動(dòng)機(jī)采用更高的壓縮比。

在20 世紀(jì)80 年代，科學(xué)家和工程師們注重于從發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)燃油的爆震(knock limit) 極限，燃燒滯后期(ignition delay)，火焰轉(zhuǎn)播速度(flame speed)，均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI）過程等進(jìn)行了充分研究。燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型, 如 Hu-Keck 模型， 用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。

不同于汽油機(jī)的均質(zhì)預(yù)混合氣燃燒，柴油機(jī)使用擴(kuò)散燃燒，柴油直接噴入氣缸，與空氣逐漸混合的同時(shí)燃燒放熱。若柴油燃燒不完全，一方面直接導(dǎo)致燃燒效率低，另一方面也導(dǎo)致放熱過程滯后，循環(huán)熱力學(xué)效率降低。因此，為了保證柴油及時(shí)而充分地燃燒，需要對(duì)柴油進(jìn)行高壓噴射，以降低柴油粒徑促進(jìn)燃燒。

在高壓共軌之前的燃油系統(tǒng)，燃油噴射的速率與壓力通過凸輪軸與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相連。高壓共軌則將這2 個(gè)參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速解耦。高壓共軌是通過高壓油泵將柴油在一個(gè)高壓油管（或者稱為軌）里儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)需要供油時(shí)，通過電控系統(tǒng)，打開電磁閥，高壓就通過噴油嘴，噴射到燃燒室內(nèi)。

圖6a 顯示了高壓共軌系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)由高壓泵、高壓油軌、高壓燃油管路、噴油器和電子控制單元（electronic control unit, ECU）組成。高壓油軌(common rail）為所有噴油器提供燃油。ECU 控制噴射正時(shí)、速率和噴射特征。與凸輪驅(qū)動(dòng)燃油系統(tǒng)相比，高壓共軌的優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行工況下選擇最高燃油經(jīng)濟(jì)性和最低排放的供油特性，如圖6b 所示。

圖6 1997年開發(fā)的第1款路用高壓共軌S60重型柴油機(jī)

1997-2000 年，美國(guó)底特律柴油機(jī)公司和德國(guó)的博世公司聯(lián)合開發(fā)出第1 款路用高壓共軌重型柴油機(jī)，見圖6c。

在20 世紀(jì)40 年代，美國(guó)工程師Ralph Miller 發(fā)現(xiàn)，如果延遲關(guān)閉增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣閥，在壓縮沖程中，活塞將這部分增壓”額外”空氣排出后，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥。這樣，在沒有提高壓縮比的情況下，可以達(dá)到增加膨脹沖程的效果。Miller 申請(qǐng)并得到了這項(xiàng)技術(shù)的專利，被稱之為Miller 循環(huán)。

從發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)圖中可以看出，在等容放熱前，混合氣依然具有一定的能量。這部分能量作為廢氣內(nèi)能被釋放，沒有用于做功。而Miller 循環(huán)的提出，正是為了進(jìn)一步利用這部分能量。如圖7 所示，Miller 循環(huán)延長(zhǎng)了絕熱膨脹做功段（④→⑤），通過1 個(gè)等容放熱（⑤→⑥）和1 個(gè)等壓放熱（⑥→①）替代原本的等容放熱（④→①）。Miller 循環(huán)通過進(jìn)氣門晚關(guān)的做法，延長(zhǎng)膨脹沖程但不提高壓縮比。在吸熱量不變的情況下，系統(tǒng)對(duì)外做功增加，效率更高。

圖7 Miller 循環(huán)

其中： γc 為絕熱壓縮階段壓縮比； γp 為等容加熱階段壓力升高比； γe 為絕熱膨脹階段膨脹比； A 為米勒循環(huán)膨脹延長(zhǎng)比； k 為氣體絕熱指數(shù)。

渦輪增壓技術(shù)的提出是為了利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量。但渦輪不直接用于輸出機(jī)械功，而是利用廢氣能量壓縮空氣，提高進(jìn)氣壓力，增大進(jìn)氣量。進(jìn)氣量增大后，汽油機(jī)輸入的均質(zhì)混合氣更多，直接意味著更大的功率，而柴油機(jī)中更多空氣也能夠承擔(dān)更多的噴油量。渦輪增壓可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率而不顯著增加其他部分損耗，或者在同等功率下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，均能提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

渦輪增壓器由渦輪和共享軸上的壓縮機(jī)組成（見圖8a）。壓縮機(jī)由渦輪驅(qū)動(dòng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室之前增加空氣壓力，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的體積效率。

渦輪增壓器的性能和運(yùn)行特性通常通過使用壓縮機(jī)和渦輪增壓圖來(lái)表達(dá)。圖8b 顯示了典型的壓縮機(jī)圖，它可以幫助根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的空氣流量和有效范圍內(nèi)所需的升壓曲線確定渦輪增壓器所需的尺寸。壓縮機(jī)的有效范圍由喘振極限（surge limit）和扼流極限（choke limit）決定。喘振極限是指從穩(wěn)定運(yùn)行范圍向不穩(wěn)定運(yùn)行范圍的過渡，其特點(diǎn)是流向反轉(zhuǎn)或壓縮機(jī)喘振。扼流極限是壓縮機(jī)的最大運(yùn)行范圍。

廢氣門或可變噴嘴渦輪通常用于控制渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)質(zhì)量流速，以確保系統(tǒng)安全或更好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的需求。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的進(jìn)氣壓力時(shí)，廢氣門開啟，讓部分廢氣繞過渦輪?？勺儨u輪增壓器(variable geometry turbocharger，VGT) 或可變噴嘴渦輪(variable nozzle turbocharger, VNT)是配備可移動(dòng)葉片的渦輪增壓器，用于將排氣氣流引導(dǎo)到渦輪葉片上。葉片角度通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)，通過改變?nèi)~片的角度，可以充分利用排氣氣流的動(dòng)能。

圖8 渦輪增壓器與壓縮機(jī)特征圖

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛生產(chǎn)商必須開發(fā)先進(jìn)技術(shù)以滿足相關(guān)排放法規(guī)的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)成為了滿足法規(guī)性油耗和車輛排放至關(guān)重要的技術(shù)。自20 世紀(jì)90 年代起，動(dòng)力總成系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化成為提升系統(tǒng)效率的主要途徑之一。

如圖9a 所示，自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，傳統(tǒng)汽油機(jī)車輛的最高熱效率持續(xù)提高至30%以上?；旌蟿?dòng)力對(duì)剎車制動(dòng)能量的回收和發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成附件的電氣化使動(dòng)力總成的最高熱效率達(dá)到40% 以上。此類混合動(dòng)力技術(shù)通常包括 Atkinson 循環(huán)/Miller 循環(huán)、電動(dòng)水泵、低摩擦技術(shù)以及冷卻廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR）等。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率從1960 年的34%提高到2000 年左右的44%（見圖9b）；由于在2002 年匆忙引入EGR 技術(shù)以滿足排放控制的要求導(dǎo)致熱效率惡化。此后，燃油經(jīng)濟(jì)性得到穩(wěn)步提升。在美國(guó)能源部的支助下，康明斯的 SuperTruck 團(tuán)隊(duì)在2013 年展示了51%的熱效率( brake thermal efficiency, BTE），在 2020 年達(dá)到55%。目前商業(yè)化柴油機(jī)的峰值熱效率在47% ～ 50%。2020 年9 月， 中國(guó)的濰柴動(dòng)力股份有限公司宣布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)50%峰值熱效率的重型路用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的歷史與未來(lái)方向

從理論上講，可以應(yīng)用熱力學(xué)的第一和第二定律分析并得出內(nèi)燃機(jī)的最大BTE 的極限。如果假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為 20 和 30 ，同時(shí)也考慮燃燒過程的不可逆性，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率理論上可分別高達(dá) 62.5%和 66.9%。如果設(shè)計(jì)新的發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)，使用新的燃燒模式，廢熱回收（waste heat recovery, WHR）技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)高于60% 的熱效率是有可能的。表1 列舉了多項(xiàng)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)示例。

表1 先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)示例

隨著清潔發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在滿足政府排放法規(guī)的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也將得到進(jìn)一步提升。

在實(shí)際車輛運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)效率明顯低于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定工況的效率。首先，發(fā)動(dòng)機(jī)工況必須與行駛工況高度耦合，而不在發(fā)動(dòng)機(jī)的理想工況點(diǎn)；其次，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩和功率的設(shè)計(jì)是為了滿足車輛最大加速、爬坡的需求，而在平常的行駛工況下，動(dòng)力利用低，效率也低；并且，在怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油但不輸出機(jī)械功，效率為零，降低總平均效率。

“純電動(dòng)” 通常指車輛通過蓄電池提供能量和動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛，而”混合”是指兩種或多種能量轉(zhuǎn)換源的組合?；旌蟿?dòng)力總成系統(tǒng)是具有兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)力源用于優(yōu)化車輛系統(tǒng)中的能量流。目前典型的混合動(dòng)力總成從內(nèi)燃機(jī) (internal combustion engine, ICE) 提供適當(dāng)功率，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)的功率，以滿足車輛運(yùn)行的需求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)可以提供正扭矩或負(fù)扭矩，實(shí)現(xiàn)電趨動(dòng)和電制動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)為高電壓鋰電池系統(tǒng)或超極電容系統(tǒng)等。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以存儲(chǔ)制動(dòng)過程中或內(nèi)燃機(jī)在高效點(diǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多余功率回收的能量。其他混合動(dòng)力系統(tǒng)采用不同組合的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，如內(nèi)燃機(jī)和液壓蓄能器存儲(chǔ)系統(tǒng)或燃料電池系統(tǒng)和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等。混合動(dòng)力總成系統(tǒng)大幅提高了車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制能力。隨著鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度和能量密度的提升， 純電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)在輕型商用車也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

有許多不同類型的混合動(dòng)力商用車?；旌蟿?dòng)力商用車可以按混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能方法進(jìn)行分類，如表2 所示。

表2 商用車混合動(dòng)力系統(tǒng)分類

混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則是充分利用傳動(dòng)系統(tǒng)的特性，同步或異步協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，滿足車輛的運(yùn)行要求。因此，這2 種動(dòng)力都可以更有效地工作，以優(yōu)化能源使用并最大限度地減少排放。通常，電機(jī)可以在低速下更高效地提供大扭矩，而發(fā)動(dòng)機(jī)可以在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域（從中速到高速）更有效地工作。

油電混合或氣電混合是目前混合動(dòng)力系統(tǒng)的主流方案。在原有燃油或燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)上，加入電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)作為功率輸出單元，同時(shí)也可用于制動(dòng)能量回收。根據(jù)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合關(guān)系，混合動(dòng)力系統(tǒng)可以分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)。在串聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅發(fā)電，與行駛工況完全解耦，可長(zhǎng)期處于最佳效率工況點(diǎn)。在并聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同輸出動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)工況與行駛工況部分解耦。而混聯(lián)系統(tǒng)可以在串聯(lián)并聯(lián)之間動(dòng)態(tài)地切換運(yùn)行。3 種混合動(dòng)力系統(tǒng)各有優(yōu)劣。

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)是早期混合動(dòng)力商用車的首選配置， 如日野，伊頓，BAE、ZF 和艾里遜等。在并聯(lián)混合動(dòng)力配置中，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)均與驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械耦合。發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)可以單獨(dú)為驅(qū)動(dòng)輪供能，也可以同時(shí)提供。驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以用作發(fā)電機(jī)為電池充能。由于內(nèi)燃機(jī)必須能夠?yàn)殡姵爻潆?，并且以巡航速度推?dòng)車輛，因此與類似尺寸的車輛的系列配置設(shè)計(jì)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)更大，電動(dòng)機(jī)更小。圖10 顯示了美國(guó)伊頓公司制造的并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，包括一個(gè)電動(dòng)離合器、中間的電機(jī)和自動(dòng)控制變速箱（automated manual transmission, AMT）。安裝在變速箱盒頂部的是變速箱的換檔控制器，它根據(jù)變速箱控制器的命令自動(dòng)換檔。變速箱控制單元(transmission control unit, TCU）和混合控制單元(hybrid control unit，HCU）都安裝在變速箱的側(cè)面。

并聯(lián)混合動(dòng)力還可用于在零排放(zero emission vehicle, ZEV)模式下在有限的時(shí)間內(nèi)行駛。并聯(lián)混合動(dòng)力控制器必須不斷優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)/發(fā)電機(jī)的功率貢獻(xiàn)，以提供最佳動(dòng)力性能和最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，由于內(nèi)燃機(jī)必須在各種速度和負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行，因此不能像串聯(lián)混合動(dòng)力那樣始終在最佳效率或排放點(diǎn)運(yùn)行。自2008 年，油電混合或氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)廣泛用于中國(guó)城市公交車。與傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力公交車相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)可節(jié)省30%～50% 的燃油。

液壓系統(tǒng)同樣可以用于混合動(dòng)力車輛。第1 輛液壓混合動(dòng)力商用車可追溯到1978 年， 主要用于從草坪和花園設(shè)備到大型土方機(jī)械的非公路車輛中。液壓系統(tǒng)具有可靠性高、功率密度高和可控性好的優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于道路車輛來(lái)說(shuō)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率沒有機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率高，因此沒有得到廣泛采用。

圖10 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)

液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)具有用于動(dòng)力傳輸?shù)囊簤罕煤鸵簤厚R達(dá)，以及用于儲(chǔ)能的液壓蓄能器。液壓蓄能器的儲(chǔ)能能力比蓄電池低，但充、放功率比一般電池（高功率密度）大。因此，液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)旨在最大限度地用于制動(dòng)能量的回收和對(duì)車輛啟動(dòng)時(shí)的輔助推進(jìn)，以達(dá)到降低油耗和排放的目的，而不是從存儲(chǔ)的能量用于持續(xù)推進(jìn)。

圖11 是并聯(lián)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在大多數(shù)車輛應(yīng)用中，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓泵/馬達(dá)安裝在變速箱上。在車輛減速期間，液壓泵會(huì)吸收扭矩，產(chǎn)生高壓流體流量并存儲(chǔ)在液壓蓄能器中；在車輛啟動(dòng)時(shí)，液壓蓄能器中的高壓流體將驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，從而輔助驅(qū)動(dòng)車輛，達(dá)到提升車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)效率的目的。液壓制動(dòng)也減少了車輛對(duì)剎車系統(tǒng)的需求，減少剎車系統(tǒng)磨損，增加剎車壽命2～4 倍。

圖11 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一百多年來(lái)，從狄賽爾的壓燃式內(nèi)燃機(jī)，到混合動(dòng)力總成系統(tǒng)的優(yōu)化，商用車動(dòng)力總成的熱效率得到了進(jìn)一步的提升。然而，繼續(xù)提升商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率到超過50%將面臨著很大的挑戰(zhàn)。所以，近20 年來(lái)，一方面，工程師們?cè)谔嵘齼?nèi)燃機(jī)熱效率方面繼續(xù)努力，如 “超級(jí)卡車項(xiàng)目” 等；另一方面，又將目光聚焦在燃料電池上，繼續(xù)追尋車用動(dòng)力總成的最高熱效率。

燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，英國(guó)人William Grove 于1839 年展示了最初的燃料電池原理模型，然而，目前市場(chǎng)上所見到的質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）（見圖12a）和固態(tài)氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC) (見圖12b) 是美國(guó)的通用電氣公司(GE)在20 世紀(jì)60 年代發(fā)明的。

燃料電池主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和輔助設(shè)備所組成。就氫燃料電池而言，在正極提供H2，H2 在催化層分解成質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過質(zhì)子膜到陰極和氧結(jié)合，產(chǎn)生H2O，電子通過電子回路產(chǎn)生電流而發(fā)電。然而，就固態(tài)氧化物燃料電池而言，是氧離子通過電解質(zhì)與正極的氫氣和CO 產(chǎn)生反應(yīng)，生成水和CO2。固態(tài)氧化物燃料電池可以同時(shí)和H2 和CO 產(chǎn)生反應(yīng)，有燃料多元化的優(yōu)點(diǎn)，可以依靠傳統(tǒng)燃料 (汽油、柴油)以及可再生和替代燃料 (氫、甲醇、乙醇、天然氣和其它碳?xì)浠衔?運(yùn)行。

圖12 燃料電池工作原理示意圖

燃料電池通常用電解質(zhì)和工作溫度區(qū)來(lái)進(jìn)行分類為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell, MCFC)、固體氧化物燃料電池（SOFC）、磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell,PAFC）和堿性燃料電池 （alkaline fuel cell, AFC）（見表3）。表3 總結(jié)了不同燃料電池技術(shù)分類與性能比較。

自1980 年后期以來(lái)，北美，歐洲和日本等開始了對(duì)車用PEMFC 動(dòng)力總成的研究。1993 年，加拿大的巴拉德（Ballard）公司展示了一輛10 m、120 kW 的氫燃料電池旅游客車，1995 年展示了1 輛200 kW 旅游客車。這些旅游客車都以壓縮氫氣作為燃料運(yùn)行。1997年，巴拉德為一小批氫燃料大型旅游客車提供了205 kW 的機(jī)組，用于芝加哥、伊利諾伊州和加拿大溫哥華的旅游觀光。表 4 列出了截至 2019 年在美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)的許多氫燃料電池商用車的生產(chǎn)現(xiàn)狀。目前，在美國(guó)，累計(jì)生產(chǎn)了約3 萬(wàn)輛氫燃料電池叉車；在中國(guó)，有約2 000 輛氫燃料電池公交車在商業(yè)化運(yùn)行。

表3 燃料電池技術(shù)分類與性能比較

SOFC 應(yīng)用于商用車的輔助電源（auxiliary power unit, APU）也得到廣泛的研究。2007 年, 美國(guó)德爾福公司展示了3 kW 的SOFC APU 系統(tǒng)， 2016 年， 日本日產(chǎn)汽車公司展示了5 kW SOFC 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)，2019 年，中國(guó)的濰柴動(dòng)力和英國(guó)的錫里斯動(dòng)力公司 （Ceres Power）聯(lián)合開發(fā)出 30 kW 的SOFC 增程式公交車混合動(dòng)力總成系統(tǒng)。

表4 各國(guó)燃料電池商用車進(jìn)展?fàn)顩r單位：輛

在恒定溫度和壓力下，燃料電池的理論效率是標(biāo)準(zhǔn)焓值和Gibbs 自由能的比值。燃料電池的理想效率為

其中：ΔH 是焓變，ΔS 是熵變?？捎玫腉ibbs 自由能ΔG 等于焓值的變化ΔH 與TΔS 之差，TΔS 表示系統(tǒng)內(nèi)熵值的變化導(dǎo)致的不可用能量。

用于計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)數(shù)據(jù) （25℃, 101.3 kPa）見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)數(shù)據(jù) （25℃, 101.3 kPa）

對(duì)于PEMFC 而言，在25℃（298 K）和101.3 kPa的標(biāo)準(zhǔn)條件下，氫燃料電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下在純H2 和O2上可逆運(yùn)行的理論效率為

固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）的運(yùn)行溫度在450～650℃，在此溫度區(qū)間，以CH4，H2 和CO 為例，將SOFC 的理論效率（見圖13）和發(fā)動(dòng)機(jī)Carnot 循環(huán)效率進(jìn)行比較。600℃的運(yùn)行溫度下，Carnot 循環(huán)效率約為 65%，而對(duì)于SOFC 而言CH4 的理論效率在90%左右，H2 的理論效率在70%左右。

燃料電池電堆是由燃料電池單體疊加而成。單燃料電池電壓是燃料電池電流、堆溫度、反應(yīng)物的壓力以及膜或電解質(zhì)的函數(shù)，可建模為

其中： Uoc 是開路電壓， Uact 是活化電壓， Uohm 是Ohm電壓，Ucon 是濃差電壓。

因此,燃料電池堆電壓計(jì)算為電池單元數(shù)N 和單個(gè)單元電壓Vfc 的乘積:

圖13 燃料電池系統(tǒng)的理論效率

燃料電池堆所產(chǎn)生的功率為 Pst = IstUst，其中Ist 是電流。

燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的凈功率是燃料電池堆功率和輔助功率之間的差值： Pfc-net = Pst -Paux。其中，Paux 是電池附件所需功率。燃料電池系統(tǒng)效率ηsys 定義為系統(tǒng)輸出凈功率與燃料的化學(xué)功率的比率

其中： H2,react 是燃料的質(zhì)量流量，Pfc,net 為系統(tǒng)輸出凈功率；LHV 是燃料（H2 或天然氣）的低值。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）發(fā)動(dòng)機(jī)包含燃料電池電堆、附件系統(tǒng)2 部分，該總成通常被稱為燃料電池系統(tǒng)。PEMFC 電堆由電極、質(zhì)子交換膜(proton exchang membrane, PEM)、雙極板、氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer，GDL)、端板等部件所組成。其中，電極、PEM 和GDL 集成在一起成為膜電極(membrane electrode assembly，MEA)，它是堆的主要部件（見圖14）。電極是PEM 和GDL 之間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄膜，也是電化學(xué)反應(yīng)的地方。PEM 是陰極催化層和陽(yáng)極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，PEM 的性能直接影響整個(gè)電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動(dòng)力需求的功率。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)附件包括空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。熱管理系統(tǒng)的作用為帶走電堆運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，使電堆工作在合適的溫度。燃料電池以去離子水作為冷卻介質(zhì)，熱管理系統(tǒng)包括水泵、散熱器、加熱器、節(jié)溫器、去離子罐、冷卻水箱等部件。電控系統(tǒng)包括燃料電池控制器(fuel cell controller, FCC)、單片(多片)電壓巡檢系統(tǒng)、直流/直流(direct current to direct current, DC/DC)變換器、各種溫度/壓力/流量/濕度傳感器和控制器局域網(wǎng)(controller area network, CAN) 通訊系統(tǒng)。

圖15 顯示了燃料電池動(dòng)力總成系統(tǒng)的示例。燃料電池系統(tǒng)通過直流/直流轉(zhuǎn)換器向系統(tǒng)總線供電，其中電池用作另一個(gè)電源。系統(tǒng)總線的負(fù)載是電動(dòng)機(jī)的功率和車輛輔助設(shè)備所需的功率。電動(dòng)機(jī)提供機(jī)械推進(jìn)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。

燃料電池工作時(shí)，需要在陽(yáng)極側(cè)持續(xù)輸入H2、陰極側(cè)持續(xù)輸入空氣/O2。反應(yīng)氣體（H2、空氣/O2）通過雙極板的表面流道，在擴(kuò)散作用驅(qū)動(dòng)下，分別到達(dá)膜電極的陽(yáng)極和陰極催化劑層。在陽(yáng)極催化劑層，H2 放出電子(e)變?yōu)?H ，H 通過聚合物膜從陽(yáng)極傳遞到陰極催化劑層，而電子則通過氣體擴(kuò)散層、雙極板、外部負(fù)載，到達(dá)陰極催化劑層。在陰極催化劑層，質(zhì)子、電子和從陰極流道擴(kuò)散過來(lái)的氧氣結(jié)合，通過電化學(xué)反應(yīng)生成水并釋放。燃料電池電堆在小電流區(qū)域效率較高，燃料電池系統(tǒng)效率在 30% ～ 50%。

質(zhì)子交換膜燃料電池車與其他車輛如純電動(dòng)車、燃油車等的主要區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池車和純電動(dòng)車通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而汽油和柴油車在內(nèi)燃機(jī)中將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。使用燃料電池車和純電動(dòng)車這類清潔能源汽車已經(jīng)成為不可否認(rèn)的未來(lái)趨勢(shì)。與燃料電池車相比，純電動(dòng)車的開發(fā)和應(yīng)用在大多數(shù)場(chǎng)景中更加成熟，然而，純電動(dòng)車有電池重量和續(xù)航里程等方面的挑戰(zhàn)。

中國(guó)在1999 年研發(fā)了第1 輛燃料電池車，也是全世界最大的氫氣生產(chǎn)及消費(fèi)市場(chǎng)，并擁有全世界最大的氫氣生產(chǎn)能力。目前工業(yè)用氫氣產(chǎn)能達(dá)到了2 500 萬(wàn)t/a；2017-2019 年，中國(guó)已經(jīng)賣出了3 000 輛氫燃料電池車 （均為商用車），使得中國(guó)成為燃料電池車的主要市場(chǎng)之一。

圖14 PEMFC 電堆結(jié)構(gòu)

圖15 混合動(dòng)力燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖

圖16 固態(tài)氧化物燃料電池分類

固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）是以固態(tài)氧化物為電解質(zhì)的一種燃料電池，有燃料多元、效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于是在高溫下運(yùn)行，有啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)和制造成本高等缺點(diǎn)。SOFC 的發(fā)展可分為3 個(gè)階段（見圖16）：第1 階段是以電解質(zhì)為支撐體的高溫燃料電池，運(yùn)行溫度在800～1 000℃，早期的燃料電池大多采用這種結(jié)構(gòu)；第2 階段是從20 世紀(jì) 90 年代起，燃料電池開始采用電極（陽(yáng)極或陰極）作為支撐體，電極支撐可降低電解質(zhì)的厚度，減少電解質(zhì)的內(nèi)阻損耗，達(dá)到降低運(yùn)行溫度和提高效率目的。目前，中國(guó)的SOFC 大多屬于這一類，運(yùn)行溫度通常在750 ℃以上。在這種高溫的條件下，雙極板的制作必須使用特殊材料，單元之間的密封也成為了問題。

第3 階段燃料電池是使用金屬支撐，氧化鈰復(fù)合電解質(zhì)的中低溫燃料電池。在中低溫的條件下氧化鈰（gadolinium-doped ceria, CGO）與傳統(tǒng)的氧化鋯（yttriastabilized zirconia, YSZ）電解質(zhì)相比，導(dǎo)離子率得到了很大的提升。金屬支撐固態(tài)氧化物燃料電池可有效的克服電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，使運(yùn)行溫度進(jìn)一步降低在 450 ～ 650 ℃。此種電池在降低材料成本、提高系統(tǒng)效率、縮短啟動(dòng)時(shí)間和延長(zhǎng)使用壽命等多方面都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。另一方面，使用復(fù)合電解質(zhì)可有效地抑制氧化鈰電解質(zhì)電子電導(dǎo)。

4.4.1 金屬支撐固態(tài)氧化物燃料電池

金屬支撐復(fù)合電解質(zhì)固態(tài)氧化物燃料電池如圖17a所示：電池單元的基板是不銹鋼，不銹鋼片通過激光穿孔以創(chuàng)建一個(gè)氣體滲透的中央?yún)^(qū)域和周圍有沒有穿孔的外部區(qū)域；陽(yáng)極以鈰鎳金屬陶瓷為材料，沉積在基板的穿孔區(qū)域；電解質(zhì)沉積陽(yáng)極之上，并重疊到周圍沒有穿孔的鋼片上，在陽(yáng)極邊緣形成密封。電解質(zhì)采用復(fù)合電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，它由 3 層組成：第1 層CGO，確保氣密性；第2 層電子阻擋層；第3 層也使用氧化鈰在電子阻擋層和陰極之間。陰極也是雙層結(jié)構(gòu)：一層是傳統(tǒng)的鈣鈦礦陶瓷氧化物，對(duì)氧氣起催化作用；另一層是較厚的電流收集層，以優(yōu)化陰極性能。圖17b 是5 kW 電堆,由 250 個(gè)電池單元組裝而成， 體積在16 L 左右 。

圖17 金屬支撐復(fù)合電解質(zhì)固態(tài)氧化物燃料電池

4.4.2 金屬支撐固態(tài)氧化物燃料電池性能測(cè)試

金屬支撐固態(tài)氧化物燃料電池必須滿足熱循環(huán)次數(shù)和壽命的要求。圖18 所展示的是熱循環(huán)次數(shù)和壽命的測(cè)試結(jié)果，圖18a 是啟停次數(shù)超過3 000 次的測(cè)試結(jié)果， 熱循環(huán)的溫差是350 ℃，每天循環(huán) 10 次。圖18b 是性能衰減0.2% / （1 000 h） 的測(cè)試結(jié)果，滿足3萬(wàn) h 壽命要求。測(cè)試結(jié)果表明，固態(tài)氧化物燃料電池基本上可以滿足商用車8 a 的啟停和運(yùn)行壽命的要求。

圖18 金屬支撐固態(tài)氧化物燃料電池性能測(cè)試

圖19 是SOFC 系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)的輸出功率是10 kW。在輸出功率5 ～ 9 kW 之間，系統(tǒng)效率都超過60%。

圖 19 SOFC 系統(tǒng)效率

4.4.3 新一代超薄電解質(zhì)制備技術(shù)

進(jìn)一步降低電解質(zhì)的厚度是降低運(yùn)行溫度和提升效率的有效途徑之一。使用全新的超薄陶瓷制備技術(shù)，如磁控濺射等，將大幅降低電解質(zhì)厚度，減少比面積電阻，進(jìn)一步提升燃料電池功率密度。從 圖20a 可以看到，傳統(tǒng)工藝制備的電解質(zhì)的厚度在15 μm 左右，圖20b 是使用超薄制備技術(shù)，電解質(zhì)厚度在1 μm 或更薄。圖20c 是1 μm 電解質(zhì)的測(cè)試結(jié)果。單位面積的功率密度可達(dá)到2 W/cm2。這個(gè)結(jié)果和目前最好的質(zhì)子交換膜燃料電池的比功率密度相當(dāng)。

圖20 新一代超薄固體氧化物電池

將SOFC 與其他動(dòng)力裝置的對(duì)比由圖可見。從圖21a 可見，SOFC 與內(nèi)燃機(jī)、氫燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)力裝置相比，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)發(fā)電效率40%左右，PEMFC在 45%左右， 燃?xì)廨啓C(jī)在 30%左右，SOFC 超過 60%，具有最高的能量轉(zhuǎn)換效率。圖21b 是SOFC 單位質(zhì)量的功率密度與內(nèi)燃機(jī)和其他裝置的比較。當(dāng)SOFC 功率密度達(dá)到 2 W/cm2 時(shí)，其體積和質(zhì)量的功率密度將與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)。而目前的產(chǎn)業(yè)化SOFC 的功率密度大約在0.1～0.2 W/cm2 之間， 離2 W/cm2 的功率密度還有很大的距離，但是2 W/cm2的可行性已經(jīng)被證實(shí)。可以相信,在不久的將來(lái)，2 W/cm2 功率密度的SOFC 的產(chǎn)業(yè)化是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖21 動(dòng)力裝置效率比較

固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）不僅在系統(tǒng)效率上有更好的表現(xiàn)，還有比PEMFC 更廣泛的燃料選擇，天然氣是其中最重要的一種。相比于石油類燃料，天然氣有更低的碳含量，CO2 排放更低。相比于自然界不存在的H2，天然氣儲(chǔ)量豐富，開采便捷，儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)更加成熟高效。這是SOFC 的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。而天然氣作為一種主要的一次能源，在汽車領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的使用。因此，需要對(duì)多種天然氣利用途徑的油井到車輪（wellto-wheel, WTW) 效率進(jìn)行分析。分析多種途徑從生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注到使用的全過程效益。WTW 可以分為泵到車輪（pump to wheel，PTW）和油井到泵（well to pump，WTP）2 部分，前者是車輛使用環(huán)節(jié)的能源效率，又稱為車輛效率；后者為能源的加工儲(chǔ)運(yùn)效率，是車輛使用的上游環(huán)節(jié)。天然氣具有以下多種利用方式：

1）以天然氣作為汽油機(jī)替代燃料（NG_SI） ;

2）利用天然氣合成油（gas-to-liquids GTL）技術(shù)，天然氣制油，用于柴油機(jī)（NG_GTL_CI） ;

3）天然氣發(fā)電，電能用于電動(dòng)車（NG_Ele_EV） ;

4）天然氣發(fā)電，電解制氫，氫氣供給氫燃料電池車（NG_Ele_H2_FC） ;

5）天然氣重整制H2，H2 供給氫燃料電池 車（NG_H2_FC） ;

6）天然氣直接用于SOFC 車輛（NG_SOFC）。

各種利用途徑效率如表6 所示。將WTW 效率繪制如圖22 所示。

表6 各種天然氣利用途徑的效率對(duì)比