氢氧燃料电池在汽车上的应用

氢氧燃料电池在汽车上的应用

氢或许是理想的替代石油的燃料。太阳能发电、核电、水电、风电、潮汐电、地热电等不依赖化石燃料的发电形式都可以产生电，电解水就可以产生氢。氢用于内燃机或外燃机都很简单易行，氢的燃烧结果是水，对环境没有污染，这似乎是一个取之不尽、用之不竭而又清洁的理想能源来源。但单位体积的氢气所含的能量远远不及汽油或者柴油。增加压力可以减小同样重量氢气所占的体积，但高压容器的制造和保养都比较复杂，加注氢气的操作也比较危险，加压过程本身也要消耗大量能量。液化氢可以进一步缩小体积，但液氢的沸点是零下252摄氏度，不采用超级保温技术的话，在常温下气化的液氢本身也会使容器承受极大的压力。即使如此，液氢的体积能量密度依然只及汽油的一半左右。氢燃料贮存容器的材料也是一个大问题。除了氦原子外，氢原子是自然界里体积最小的原子，无孔不入。氢原子渗入金属晶格后，容易造成金属的氢脆，对容器的安全造成问题，增加了廉价、安全的高压氢容器的难度。研究表明，在不太高的压力和不太低的低温下，氨可以贮存大量的氢，并在催化反应中将氢释放出来。氨在内燃机燃烧室的压力下可以很好地燃烧，现代化工工业也有能力提供大量的氨。但氨的制造也需要大量能量，在常温、常压下氨有毒性，其剧烈的臭味也给在汽车上大规模使用带来很多问题。贮存氢的另一个途径是用氢化物，主要有氢化锂和氢化硼。氢化物的问题是有很强的毒性，遇水（包括空气中 的潮气）会剧烈燃烧，纯度要求很高，“充氢”需要复杂的专用设施。还有一种设想是用氢合成碳氢化合物，然后用催化反应释放氢气，但既然已经合成成为碳氢化合物了，直接用于内燃机的效率还高一点，就没有必要舍近求远了。BMW等汽车公司对氢汽车很有信心，已经试验性地推出氢汽车，但大规模应用依然遥遥无期。

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BMW的7系列氢汽车

人们给予最大希望的还是要数电动汽车。电动汽车用电动机驱动，噪音极低，无污染。电动机的扭力在起步时达到最大，这对汽车的起步、加速极为有利。不过认为电动机的扭力大所以马力小一点没有关系，这是不对的。扭力大对起步、加速有利，但马力不足时最终速度上不去。为了保证一定的高速公路上的速度，电动汽车的马力也不能比相应的内燃机小多少。

电动机可以集中安装，然后用传动机构驱动轮子；或者直接装在轮子上，消除传动损失。集中电机虽然有传动损失，但传动和行驶技术成熟。直接安装在轮子上的电动机不光必须重量轻、体积小，还必须考虑同步问题，否则车子一动就可能扭秧歌。另外，要是其中一台电动机在高速行驶时故障，必须有适当的技术措施保证不至于造成车子失稳。目前的电动汽车还都是采用集中电机。驱动电机可以是直流电机，也可以是交流电机。直流电机可以调速，但电刷带来磨损和可靠性问题。交流电机简单、可靠，但需要额外的变频调速装置才能变速。直流电机采用电网交流电时，需要先对交流电进行整流；交流电机采用电池供电时，需要先对直流电进行斩波，然后才能变频。

内燃机汽车减速或刹车时，靠刹车装置将动能转化为热能，所有能量都是耗散的，没法回收。电动汽车在减速和刹车时，轮子可以反过来驱动电机而发电，这就是所谓的regenerative braking，这是电动汽车比内燃机节约能源的一个重要原因。不过regenerative braking的应用不是无条件的，只能在适用于通常可以用发动机挂档减速（engine braking）的场合下使用，如果是猛然的急刹车，轮子一下子就不转了，也就谈不上regenerative braking了。电动机发电和充电回路也有最大瞬时载荷的限制，减速快于这个限制时，还是要使用常规的刹车；速度减到一定程度，电动机反转已经无法有效发电时，也无所谓regenerative braking。所以regenerative braking不可能回收减速、刹车过程的全部能量，而只能回收其中的一部分，集中电机还要算进传动损失。这一部分占多大，取决于具体情况，一般不超过30%，实用中通常在10%左右。不过电动汽车可以瞬时启动，在红绿灯前停车时不需要空转，这在城市行驶时是一个优点。

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Regenerative braking示意图，这里还是使用集中电机

电能不像化石燃料中的化学能，通常是现发现用，无法贮存，所以除了用“大辫子”从架空电缆取电，电动汽车大体可以分为用蓄电池或超级电容贮存电能的类型和在车上当场发电（如燃料电池或太阳能电池）的类型。

用“大辫子”从架空电缆取电是最简易的方法，中国城市里曾经有很多的无轨电车，还有更早的有轨电车。但无轨电车的行动范围受到架空电缆的限制，超车、换线必须在有特殊继电换线装置的地点进行，十字路口或换线时容易“掉辫子”，使用很不方便。为了在一根电缆上提供可供足够多车辆使用的电流，电车电缆必须用较高的电压，所以必须和市电系统相互独立。这是额外的建造和维修负担。受电流负载的限制，每条线路上的电车数量有限制，不能超载。由于诸多实际困难，无轨电车的应用范围很难超出公交。

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无轨电车，曾经是中国城市中一道熟悉的风景线

人们曾经对燃料电池寄予厚望。典型的燃料电池用氢-氧作为燃料和氧化剂，通过电化学反应，直接将氢氧的化学能转变为电能。反应没有噪声，反应产物水对环境无害。但一个典型的氢氧燃料电池元件只能产生0.86伏电压，要达到汽车电池的24伏，至少需要28个电池元件。如果要减小电流，降低导电损耗和减小电机的体积、重量，必须达到更高的电压，那就需要更多的电池元件，否则就要用斩波变交流再通过变压器的办法升高电压。事实上，电动汽车的电压不是安全的24伏，而是更高效的300伏以上。两种途径都大大增加了系统的体积、重量和复杂性，增加了损耗。燃料电池在理论上可以超过卡诺循环的热效率，这是因为燃料电池没有热机那样的热工循环，但燃料电池的热效率随抽取的电流而下降，也随氢、氧的杂质而下降。换句话说，如果使用甲醇-空气，热效率要比氢氧要低很多。


氢氧燃料电池示意图

燃料电池在理论优越性始终和实用性脱节，即使是花钱如流水的各国军方，在投入巨资研究无数年后，也只有德国海军勉强将使用氢氧燃料电池的214级潜艇刚刚服役。各国汽车界也在燃料电池上投入很多心血，加拿大的Ballard公司一度和多个汽车公司签约，准备批量供应车用燃料电池，但雷声大，雨点小，最后不了了之。考虑到纯氢、纯氧的制备、运输、贮存和加注都有相当的难度，车用燃料电池可能最后还是用碳氢类燃料（如甲醇）和空气，但这样电池的热效率大大下降，电池组的体积、重量更大。车用燃料电池的大规模实用化不会在潜艇燃料电池的大规模实用化之前。也就是说，估计20年内不大可能成为汽车的主要动力形式。

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燃料电池汽车示意图

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燃料电池公共汽车也已经试验性地在一些欧洲城市运行