1深層講解:電動(dòng)車輛技術(shù)問題

一、電動(dòng)車輛　
電動(dòng)車輛則是另一個(gè)節(jié)能、減排的發(fā)展方向。此處所指的“電動(dòng)車輛”，是一個(gè)廣義概念，大體上包含下列分支：純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車。

　　一、純電動(dòng)汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅(qū)動(dòng)、而沒有其他動(dòng)力設(shè)備和能源裝置的車輛。其動(dòng)力系統(tǒng)很簡單：電池組—電動(dòng)機(jī)—車輛傳動(dòng)系…

　　電動(dòng)機(jī)的效率遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)，而且在工作時(shí)沒有任何化學(xué)污染物的排放，對節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。而且其機(jī)械傳動(dòng)和控制系統(tǒng)也不是非常復(fù)雜。

　　但純電動(dòng)車輛也存在一些問題：

　　(1)最主要的，純電動(dòng)車輛電池組的能量密度偏低。無論采取何種先進(jìn)電池技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，單位重量的電池所能儲存的電能，遠(yuǎn)低于同樣重量燃油所能釋放出來的機(jī)械功。這就意味著，要么犧牲動(dòng)力性和續(xù)駛歷程、要么極大的增加車載電池的重量。而對于很多運(yùn)輸任務(wù)而言，這兩個(gè)選擇都是難以接受的。

　　(2)另外，純電動(dòng)車輛的充電場所和充電時(shí)間都存在問題。

　　(3)如果我們深入研究其能量轉(zhuǎn)換鏈，會發(fā)現(xiàn)，純電動(dòng)車輛最終很可能還是依賴化石燃料(或者水電、核能;單純的太陽能或者風(fēng)能等完全清潔能源基本上不現(xiàn)實(shí))。

　　石油或者煤炭經(jīng)過發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化成電能、經(jīng)過輸變電、給電動(dòng)車的電池充電、再由電池放電給電機(jī)做功。能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，最終對化石燃料的利用率并不很高;而且所謂“零排放”只是對于車輛行駛環(huán)境而言，發(fā)電的過程及其設(shè)備維護(hù)很可能還是存在污染。(對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。)

　　(4)大容量電池組的成本較高，維護(hù)較復(fù)雜，其制造和維護(hù)過程中很可能會產(chǎn)生大量污染物。

　　二、燃料電池車輛

　　目前車輛行業(yè)界的一個(gè)共識：電動(dòng)車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術(shù)目標(biāo)，就是燃料電池。

　　1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具有發(fā)電效率高，適應(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在積極地進(jìn)行開發(fā)。

　　依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。

　　燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

　　2.基本結(jié)構(gòu)與工作原理

　　(1)燃料電池

　　燃料電池從本質(zhì)上說是一種電化學(xué)裝置，其基本組成與一般電池相同。

　　為實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出，燃料電池通常由若干“單體電池”組成。與普通電池類似，單體燃料電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。

　　不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

　　這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

　　氫-氧燃料電池反應(yīng)原理

　　這個(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為：

　　負(fù)極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

　　正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

　　電池反應(yīng)：H2 + 1/2O2==H2O

　　另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。

　　在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子(H+)相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：

　　燃料極：H2 =2H+ + 2e- (1)

　　空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O (2)

　　全體：H2+1/2O2 = H2O (3)

　　氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖

　　在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式(3)可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，參與電化學(xué)反應(yīng)的電極存在一定的電阻，電流通過時(shí)會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。