氫氧燃料電池在汽車(chē)上的應(yīng)用

氫或許是理想的替代石油的燃料。太陽(yáng)能發(fā)電、核電、水電、風(fēng)電、潮汐電、地?zé)犭姷炔灰蕾嚮剂系陌l(fā)電形式都可以產(chǎn)生電，電解水就可以產(chǎn)生氫。氫用于內(nèi)燃機(jī)或外燃機(jī)都很簡(jiǎn)單易行，氫的燃燒結(jié)果是水，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，這似乎是一個(gè)取之不盡、用之不竭而又清潔的理想能源來(lái)源。但單位體積的氫氣所含的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及汽油或者柴油。增加壓力可以減小同樣重量氫氣所占的體積，但高壓容器的制造和保養(yǎng)都比較復(fù)雜，加注氫氣的操作也比較危險(xiǎn)，加壓過(guò)程本身也要消耗大量能量。液化氫可以進(jìn)一步縮小體積，但液氫的沸點(diǎn)是零下252攝氏度，不采用超級(jí)保溫技術(shù)的話，在常溫下氣化的液氫本身也會(huì)使容器承受極大的壓力。即使如此，液氫的體積能量密度依然只及汽油的一半左右。氫燃料貯存容器的材料也是一個(gè)大問(wèn)題。除了氦原子外，氫原子是自然界里體積最小的原子，無(wú)孔不入。氫原子滲入金屬晶格后，容易造成金屬的氫脆，對(duì)容器的安全造成問(wèn)題，增加了廉價(jià)、安全的高壓氫容器的難度。研究表明，在不太高的壓力和不太低的低溫下，氨可以貯存大量的氫，并在催化反應(yīng)中將氫釋放出來(lái)。氨在內(nèi)燃機(jī)燃燒室的壓力下可以很好地燃燒，現(xiàn)代化工工業(yè)也有能力提供大量的氨。但氨的制造也需要大量能量，在常溫、常壓下氨有毒性，其劇烈的臭味也給在汽車(chē)上大規(guī)模使用帶來(lái)很多問(wèn)題。貯存氫的另一個(gè)途徑是用氫化物，主要有氫化鋰和氫化硼。氫化物的問(wèn)題是有很強(qiáng)的毒性，遇水（包括空氣中 的潮氣）會(huì)劇烈燃燒，純度要求很高，“充氫”需要復(fù)雜的專(zhuān)用設(shè)施。還有一種設(shè)想是用氫合成碳?xì)浠衔?，然后用催化反?yīng)釋放氫氣，但既然已經(jīng)合成成為碳?xì)浠衔锪?，直接用于?nèi)燃機(jī)的效率還高一點(diǎn)，就沒(méi)有必要舍近求遠(yuǎn)了。BMW等汽車(chē)公司對(duì)氫汽車(chē)很有信心，已經(jīng)試驗(yàn)性地推出氫汽車(chē)，但大規(guī)模應(yīng)用依然遙遙無(wú)期。

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BMW的7系列氫汽車(chē)

人們給予最大希望的還是要數(shù)電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，噪音極低，無(wú)污染。電動(dòng)機(jī)的扭力在起步時(shí)達(dá)到最大，這對(duì)汽車(chē)的起步、加速極為有利。不過(guò)認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的扭力大所以馬力小一點(diǎn)沒(méi)有關(guān)系，這是不對(duì)的。扭力大對(duì)起步、加速有利，但馬力不足時(shí)最終速度上不去。為了保證一定的高速公路上的速度，電動(dòng)汽車(chē)的馬力也不能比相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)小多少。

電動(dòng)機(jī)可以集中安裝，然后用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪子；或者直接裝在輪子上，消除傳動(dòng)損失。集中電機(jī)雖然有傳動(dòng)損失，但傳動(dòng)和行駛技術(shù)成熟。直接安裝在輪子上的電動(dòng)機(jī)不光必須重量輕、體積小，還必須考慮同步問(wèn)題，否則車(chē)子一動(dòng)就可能扭秧歌。另外，要是其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在高速行駛時(shí)故障，必須有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施保證不至于造成車(chē)子失穩(wěn)。目前的電動(dòng)汽車(chē)還都是采用集中電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以是直流電機(jī)，也可以是交流電機(jī)。直流電機(jī)可以調(diào)速，但電刷帶來(lái)磨損和可靠性問(wèn)題。交流電機(jī)簡(jiǎn)單、可靠，但需要額外的變頻調(diào)速裝置才能變速。直流電機(jī)采用電網(wǎng)交流電時(shí)，需要先對(duì)交流電進(jìn)行整流；交流電機(jī)采用電池供電時(shí)，需要先對(duì)直流電進(jìn)行斬波，然后才能變頻。

內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)減速或剎車(chē)時(shí)，靠剎車(chē)裝置將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，所有能量都是耗散的，沒(méi)法回收。電動(dòng)汽車(chē)在減速和剎車(chē)時(shí)，輪子可以反過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)而發(fā)電，這就是所謂的regenerative braking，這是電動(dòng)汽車(chē)比內(nèi)燃機(jī)節(jié)約能源的一個(gè)重要原因。不過(guò)regenerative braking的應(yīng)用不是無(wú)條件的，只能在適用于通常可以用發(fā)動(dòng)機(jī)掛檔減速（engine braking）的場(chǎng)合下使用，如果是猛然的急剎車(chē)，輪子一下子就不轉(zhuǎn)了，也就談不上regenerative braking了。電動(dòng)機(jī)發(fā)電和充電回路也有最大瞬時(shí)載荷的限制，減速快于這個(gè)限制時(shí)，還是要使用常規(guī)的剎車(chē)；速度減到一定程度，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)已經(jīng)無(wú)法有效發(fā)電時(shí)，也無(wú)所謂regenerative braking。所以regenerative braking不可能回收減速、剎車(chē)過(guò)程的全部能量，而只能回收其中的一部分，集中電機(jī)還要算進(jìn)傳動(dòng)損失。這一部分占多大，取決于具體情況，一般不超過(guò)30%，實(shí)用中通常在10%左右。不過(guò)電動(dòng)汽車(chē)可以瞬時(shí)啟動(dòng)，在紅綠燈前停車(chē)時(shí)不需要空轉(zhuǎn)，這在城市行駛時(shí)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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Regenerative braking示意圖，這里還是使用集中電機(jī)

電能不像化石燃料中的化學(xué)能，通常是現(xiàn)發(fā)現(xiàn)用，無(wú)法貯存，所以除了用“大辮子”從架空電纜取電，電動(dòng)汽車(chē)大體可以分為用蓄電池或超級(jí)電容貯存電能的類(lèi)型和在車(chē)上當(dāng)場(chǎng)發(fā)電（如燃料電池或太陽(yáng)能電池）的類(lèi)型。

用“大辮子”從架空電纜取電是最簡(jiǎn)易的方法，中國(guó)城市里曾經(jīng)有很多的無(wú)軌電車(chē)，還有更早的有軌電車(chē)。但無(wú)軌電車(chē)的行動(dòng)范圍受到架空電纜的限制，超車(chē)、換線必須在有特殊繼電換線裝置的地點(diǎn)進(jìn)行，十字路口或換線時(shí)容易“掉辮子”，使用很不方便。為了在一根電纜上提供可供足夠多車(chē)輛使用的電流，電車(chē)電纜必須用較高的電壓，所以必須和市電系統(tǒng)相互獨(dú)立。這是額外的建造和維修負(fù)擔(dān)。受電流負(fù)載的限制，每條線路上的電車(chē)數(shù)量有限制，不能超載。由于諸多實(shí)際困難，無(wú)軌電車(chē)的應(yīng)用范圍很難超出公交。

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無(wú)軌電車(chē)，曾經(jīng)是中國(guó)城市中一道熟悉的風(fēng)景線

人們?cè)?jīng)對(duì)燃料電池寄予厚望。典型的燃料電池用氫-氧作為燃料和氧化劑，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，直接將氫氧的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋７磻?yīng)沒(méi)有噪聲，反應(yīng)產(chǎn)物水對(duì)環(huán)境無(wú)害。但一個(gè)典型的氫氧燃料電池元件只能產(chǎn)生0.86伏電壓，要達(dá)到汽車(chē)電池的24伏，至少需要28個(gè)電池元件。如果要減小電流，降低導(dǎo)電損耗和減小電機(jī)的體積、重量，必須達(dá)到更高的電壓，那就需要更多的電池元件，否則就要用斬波變交流再通過(guò)變壓器的辦法升高電壓。事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)的電壓不是安全的24伏，而是更高效的300伏以上。兩種途徑都大大增加了系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜性，增加了損耗。燃料電池在理論上可以超過(guò)卡諾循環(huán)的熱效率，這是因?yàn)槿剂想姵貨](méi)有熱機(jī)那樣的熱工循環(huán)，但燃料電池的熱效率隨抽取的電流而下降，也隨氫、氧的雜質(zhì)而下降。換句話說(shuō)，如果使用甲醇-空氣，熱效率要比氫氧要低很多。


氫氧燃料電池示意圖

燃料電池在理論優(yōu)越性始終和實(shí)用性脫節(jié)，即使是花錢(qián)如流水的各國(guó)軍方，在投入巨資研究無(wú)數(shù)年后，也只有德國(guó)海軍勉強(qiáng)將使用氫氧燃料電池的214級(jí)潛艇剛剛服役。各國(guó)汽車(chē)界也在燃料電池上投入很多心血，加拿大的Ballard公司一度和多個(gè)汽車(chē)公司簽約，準(zhǔn)備批量供應(yīng)車(chē)用燃料電池，但雷聲大，雨點(diǎn)小，最后不了了之?？紤]到純氫、純氧的制備、運(yùn)輸、貯存和加注都有相當(dāng)?shù)碾y度，車(chē)用燃料電池可能最后還是用碳?xì)漕?lèi)燃料（如甲醇）和空氣，但這樣電池的熱效率大大下降，電池組的體積、重量更大。車(chē)用燃料電池的大規(guī)模實(shí)用化不會(huì)在潛艇燃料電池的大規(guī)模實(shí)用化之前。也就是說(shuō)，估計(jì)20年內(nèi)不大可能成為汽車(chē)的主要?jiǎng)恿π问健?br>
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燃料電池汽車(chē)示意圖

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燃料電池公共汽車(chē)也已經(jīng)試驗(yàn)性地在一些歐洲城市運(yùn)行