電動(dòng)車(chē)輛相關(guān)技術(shù)問(wèn)題系統(tǒng)詳解

燃料電池最大的優(yōu)點(diǎn)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(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)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(jìn)行燃燒，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無(wú)論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)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(diǎn)：

（1）部分負(fù)荷時(shí)也能保持高的效率；

（2）通過(guò)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(fù)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(lái)，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(lèi)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(dòng)力和小型電源裝置來(lái)應(yīng)用，PAFC作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗(yàn)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(shí)的工作考核，相信隨著研究的深入還會(huì)有新的燃料電池出現(xiàn)。

美、日等國(guó)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(kāi)發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門(mén)使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達(dá)到"電站"階段。已建成兆瓦級(jí)燃料電池示范電站進(jìn)行試驗(yàn)，已就其效率、可運(yùn)行性和壽命進(jìn)行了評(píng)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(shí)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(chē)輛工程領(lǐng)域，目前比較普遍的方案是氫動(dòng)力質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)方面突破大功率氫燃料電池組制備的關(guān)鍵技術(shù)，轎車(chē)用凈輸出30KW、客車(chē)用凈輸出60KW和100KW的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，已在同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試基地通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試并裝車(chē)運(yùn)行，燃料電池轎車(chē)已累計(jì)運(yùn)行4000多km，燃料電池客車(chē)?yán)塾?jì)運(yùn)行超過(guò)8000km。

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

此外，氫燃料車(chē)比汽油車(chē)安全。即使在失火的情況下也便于逃生。汽油車(chē)發(fā)生事故或遇火，油箱會(huì)爆炸，油產(chǎn)生的熱和毒氣都會(huì)致命。而氫燃料車(chē)在猛烈的撞擊下，甚至儲(chǔ)氫罐破裂都不會(huì)引起大火，在逃生時(shí)不會(huì)被大火燒傷。即使氫采用壓縮儲(chǔ)存，也僅易燃。若撞擊后氫燃料外溢沒(méi)有著火，它會(huì)蒸發(fā)到空氣中，不產(chǎn)生污染。即使失火也不會(huì)爆炸，因?yàn)闅錃庵挥信c氧氣或空氣在密閉的空間里混合才會(huì)爆炸。

氫燃料電池車(chē)的尾氣排放物是水，對(duì)環(huán)境的污染為零。

4.需要解決的問(wèn)題

對(duì)于純?nèi)剂想姵剀?chē)或基于氫能源的其他類(lèi)型車(chē)，怎樣合理控制制氫成本和建立社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化的儲(chǔ)氫站是一個(gè)重要工程；在行駛的汽車(chē)?yán)镌鯓颖４鏆淙剂弦彩且粋€(gè)重要課題。

儲(chǔ)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(chǔ)存氫；具體來(lái)說(shuō)，燃料電池電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)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(dòng)馬達(dá)而得以行駛。相較于傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)，燃料電池電動(dòng)車(chē)的燃料電池可視為小型發(fā)電廠，且燃料電池電動(dòng)車(chē)可以改善傳統(tǒng)電池過(guò)重、電能容量及長(zhǎng)時(shí)間充電的缺點(diǎn)，燃料電池發(fā)電可視為水電解的逆反應(yīng)，發(fā)電過(guò)程中只有水份的排放，是清凈的動(dòng)力能源。而這些都依賴(lài)于氫能源的充足供給。

以國(guó)外的情形為例：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省原來(lái)預(yù)估2010年底，燃料電池電動(dòng)車(chē)可以達(dá)到5萬(wàn)臺(tái)，2020年達(dá)到500萬(wàn)臺(tái)的目標(biāo)，目前看來(lái)似乎有些過(guò)熱，各個(gè)車(chē)廠開(kāi)始以較務(wù)實(shí)的態(tài)度對(duì)應(yīng)這件事情。Toyota預(yù)定2003年燃料電池電動(dòng)車(chē)商品化，且希望將價(jià)格訂在日幣1000萬(wàn)元以下才具產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。但短期內(nèi)，燃料電池價(jià)格不易降至數(shù)百萬(wàn)日元內(nèi)。同期從事研發(fā)工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車(chē)廠都認(rèn)為燃料電池電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)可以純氫氣為燃料，抑或以碳?xì)湎等剂先缂状?、天然氣、汽油等?jīng)由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質(zhì)雖各有所長(zhǎng)，以?xún)?chǔ)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(shì)。

（2）燃料重組

燃料重組，最大的問(wèn)題在于重組過(guò)程中造成的高溫現(xiàn)象，甲醇重組時(shí)溫度約300℃，汽油重組時(shí)的溫度則高達(dá)800℃（碳與氫分子鍵結(jié)強(qiáng)，不易打斷），已經(jīng)在道路行駛測(cè)試（fleet test）的甲醇重組方式燃料電池電動(dòng)車(chē)，因?yàn)楦邷囟枰渲么笮屠鋮s風(fēng)扇，產(chǎn)生令人不快的噪音問(wèn)題，雖然靜肅性 （如：馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等）仍較傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)越，但燃料重組時(shí)大型冷卻風(fēng)扇噪音問(wèn)題亦不得不重視。而且大型冷卻風(fēng)扇亦會(huì)造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動(dòng)車(chē)因兼顧能源效率與噪音問(wèn)題，事實(shí)上、較Toyota 的Prius 的復(fù)合動(dòng)力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動(dòng)車(chē)的顯著優(yōu)勢(shì)。更何況燃料重組時(shí)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(cè)試的Mazda認(rèn)為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動(dòng)車(chē)才具有挑戰(zhàn)性！”甲醇與汽油重組衍生的各種問(wèn)題，特別是高溫，是燃料電池電動(dòng)車(chē)普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開(kāi)發(fā)亦刻不容緩。

（3）純氫氣燃料儲(chǔ)存方式

純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動(dòng)車(chē)未來(lái)可能普及化的燃料供應(yīng)方式，然而氫氣的儲(chǔ)存卻是另一問(wèn)題點(diǎn)。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長(zhǎng)時(shí)間放置很可能即漏失完畢！

氫氣燃料儲(chǔ)存方式有高壓儲(chǔ)氫（compressed hydrogen gas），可能引發(fā)安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲(chǔ)氫量越多，但高壓儲(chǔ)氫材料容器的價(jià)格昂貴，尤其是燃料電池電動(dòng)車(chē)，這種移動(dòng)式載具必須考慮碰撞的安全性；低溫儲(chǔ)氫，要儲(chǔ)存氫氣燃料于 -273℃環(huán)境，其所需低溫儲(chǔ)存處理的能量消耗亦不容忽視，且應(yīng)考慮前述漏失問(wèn)題；較安全且可行的方案是儲(chǔ)氫合金（metal hydride，儲(chǔ)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(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)估2020年達(dá)到500萬(wàn)臺(tái)的燃料電池電動(dòng)車(chē)目標(biāo)，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(shí)亦會(huì)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(dòng)車(chē)互為矛盾，其實(shí)只是CO2排放只是改變?yōu)槿剂想姵仉妱?dòng)車(chē)以外發(fā)生的場(chǎng)所罷了。

為了不增加制造純氫氣燃料時(shí)所帶來(lái)的環(huán)境污染，以太陽(yáng)能發(fā)電的電力對(duì)水產(chǎn)生電解制造純氫氣似乎可行。實(shí)際上，Honda 在美國(guó)加州的研發(fā)中心即利用太陽(yáng)能發(fā)電制造純氫氣，并由供應(yīng)站供給氫氣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，每輛車(chē)單以太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)車(chē)為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿(mǎn)足普通行駛要求。不過(guò)、配置在每臺(tái)燃料電池電動(dòng)車(chē)上的太陽(yáng)電池面積是車(chē)輛平面投影面積的4倍，太陽(yáng)電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個(gè)課題！

（5）燃料電池價(jià)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(jì)短期內(nèi)不易降至量產(chǎn)化價(jià)格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開(kāi)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(dòng)車(chē)普及化最大的課題是，氫氣的儲(chǔ)存方式與供給體制。如何增加氫氣儲(chǔ)存效率(開(kāi)發(fā)高效率儲(chǔ)氫合金材料)與氫氣供應(yīng)站的普及化都是燃料電池電動(dòng)車(chē)技術(shù)能否普及化的因素。而欲促進(jìn)燃料電池電動(dòng)車(chē)普及化，現(xiàn)階段與未來(lái)應(yīng)朝下列幾個(gè)方向發(fā)展：

1、增加重組過(guò)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(duì)硫成分的抗性

5、縮短啟動(dòng)時(shí)間

6、動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理

7、動(dòng)力系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)

8、減少燃