電動車輛相關(guān)技術(shù)問題系統(tǒng)詳解

燃料電池最大的優(yōu)點在于能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少，燃料利用率高。

傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設(shè)備上，燃燒時還會排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實際發(fā)電效率可達40%～60%，可以實現(xiàn)直接進入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。

此外，燃料電池還具有以下優(yōu)點：

（1）部分負荷時也能保持高的效率；

（2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用較大范圍的不同燃料；

（3）輸出功率可按“積木式”靈活調(diào)節(jié)；

（4）電池本體的負荷響應(yīng)性好；

（5）NOX及SOX等的排出量少，有利環(huán)保。

近20多年來，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PEMFC已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應(yīng)用，PAFC作為中型電源應(yīng)用進入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗階段，起步較晚的作為發(fā)電最有應(yīng)用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時的工作考核，相信隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現(xiàn)。

美、日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質(zhì)子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進行試驗，已就其效率、可運行性和壽命進行了評估，期望應(yīng)用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時建造的小型燃料電池發(fā)電裝置，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、飯店、賓館等。

在車輛工程領(lǐng)域，目前比較普遍的方案是氫動力質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

在燃料電池發(fā)動機方面突破大功率氫燃料電池組制備的關(guān)鍵技術(shù)，轎車用凈輸出30KW、客車用凈輸出60KW和100KW的燃料電池發(fā)動機，已在同濟大學(xué)和清華大學(xué)燃料電池發(fā)動機測試基地通過嚴格的測試并裝車運行，燃料電池轎車已累計運行4000多km，燃料電池客車累計運行超過8000km。

由于氫氣里沒有腐蝕性的雜質(zhì)，也沒有碳阻塞燃燒室，燃料電池車很少需要維修。

此外，氫燃料車比汽油車安全。即使在失火的情況下也便于逃生。汽油車發(fā)生事故或遇火，油箱會爆炸，油產(chǎn)生的熱和毒氣都會致命。而氫燃料車在猛烈的撞擊下，甚至儲氫罐破裂都不會引起大火，在逃生時不會被大火燒傷。即使氫采用壓縮儲存，也僅易燃。若撞擊后氫燃料外溢沒有著火，它會蒸發(fā)到空氣中，不產(chǎn)生污染。即使失火也不會爆炸，因為氫氣只有與氧氣或空氣在密閉的空間里混合才會爆炸。

氫燃料電池車的尾氣排放物是水，對環(huán)境的污染為零。

4.需要解決的問題

對于純?nèi)剂想姵剀嚮蚧跉淠茉吹钠渌愋蛙?，怎樣合理控制制氫成本和建立社會網(wǎng)絡(luò)化的儲氫站是一個重要工程；在行駛的汽車里怎樣保存氫燃料也是一個重要課題。

儲氫技術(shù)基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態(tài)保存，二是用高壓（約5000磅/平方英寸）壓縮氣態(tài)氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲存氫；具體來說，燃料電池電動車普及化道路上尚需攻克的課題主要有：

（1）氫氣燃料的供給

如前所述，燃料電池電動車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應(yīng)，以其產(chǎn)生的電力推動馬達而得以行駛。相較于傳統(tǒng)電動車，燃料電池電動車的燃料電池可視為小型發(fā)電廠，且燃料電池電動車可以改善傳統(tǒng)電池過重、電能容量及長時間充電的缺點，燃料電池發(fā)電可視為水電解的逆反應(yīng)，發(fā)電過程中只有水份的排放，是清凈的動力能源。而這些都依賴于氫能源的充足供給。

以國外的情形為例：日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省原來預(yù)估2010年底，燃料電池電動車可以達到5萬臺，2020年達到500萬臺的目標，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務(wù)實的態(tài)度對應(yīng)這件事情。Toyota預(yù)定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產(chǎn)品競爭力。但短期內(nèi)，燃料電池價格不易降至數(shù)百萬日元內(nèi)。同期從事研發(fā)工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認為燃料電池電動車發(fā)展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應(yīng)站與氫氣燃料的環(huán)境整備 （infrastructure）。燃料電池電動車可以純氫氣為燃料，抑或以碳氫系燃料如甲醇、天然氣、汽油等經(jīng)由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質(zhì)雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質(zhì)的汽油經(jīng)由重組似乎較具優(yōu)勢。

（2）燃料重組

燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現(xiàn)象，甲醇重組時溫度約300℃，汽油重組時的溫度則高達800℃（碳與氫分子鍵結(jié)強，不易打斷），已經(jīng)在道路行駛測試（fleet test）的甲醇重組方式燃料電池電動車，因為高溫而需要配置大型冷卻風(fēng)扇，產(chǎn)生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 （如：馬達運轉(zhuǎn)等）仍較傳統(tǒng)電動汽車優(yōu)越，但燃料重組時大型冷卻風(fēng)扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風(fēng)扇亦會造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動車因兼顧能源效率與噪音問題，事實上、較Toyota 的Prius 的復(fù)合動力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動車的顯著優(yōu)勢。更何況燃料重組時并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組并完成日本道路行駛測試的Mazda認為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動車才具有挑戰(zhàn)性！”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發(fā)亦刻不容緩。

（3）純氫氣燃料儲存方式

純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動車未來可能普及化的燃料供應(yīng)方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長時間放置很可能即漏失完畢！

氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫（compressed hydrogen gas），可能引發(fā)安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，但高壓儲氫材料容器的價格昂貴，尤其是燃料電池電動車，這種移動式載具必須考慮碰撞的安全性；低溫儲氫，要儲存氫氣燃料于 -273℃環(huán)境，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視，且應(yīng)考慮前述漏失問題；較安全且可行的方案是儲氫合金（metal hydride，儲存效率仍有極大的改善空間。

（4）純氫氣燃料的制備

依照日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省預(yù)估2020年達到500萬臺的燃料電池電動車目標，相當(dāng)于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時亦會衍生一定數(shù)量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動車互為矛盾，其實只是CO2排放只是改變?yōu)槿剂想姵仉妱榆囈酝獍l(fā)生的場所罷了。

為了不增加制造純氫氣燃料時所帶來的環(huán)境污染，以太陽能發(fā)電的電力對水產(chǎn)生電解制造純氫氣似乎可行。實際上，Honda 在美國加州的研發(fā)中心即利用太陽能發(fā)電制造純氫氣，并由供應(yīng)站供給氫氣進行相關(guān)實驗，每輛車單以太陽能發(fā)電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當(dāng)于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實驗車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每臺燃料電池電動車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個課題！

（5）燃料電池價格

目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬（主要是鉑），燃料電池廠預(yù)計短期內(nèi)不易降至量產(chǎn)化價格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發(fā)耐高溫（200℃）與耐不純物的質(zhì)子交換膜等都是當(dāng)前重要的課題。

現(xiàn)階段燃料電池電動車普及化最大的課題是，氫氣的儲存方式與供給體制。如何增加氫氣儲存效率(開發(fā)高效率儲氫合金材料)與氫氣供應(yīng)站的普及化都是燃料電池電動車技術(shù)能否普及化的因素。而欲促進燃料電池電動車普及化，現(xiàn)階段與未來應(yīng)朝下列幾個方向發(fā)展：

1、增加重組過程中富氫氣的比例

2、改善反應(yīng)氣體供應(yīng)方式

3、改善氫氣的使用效率

4、改善燃料系統(tǒng)對硫成分的抗性

5、縮短啟動時間

6、動力系統(tǒng)的熱管理

7、動力系統(tǒng)的最佳化設(shè)計

8、減少燃