深層講解:電動車輛技術問題

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

　　一、純電動汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅動、而沒有其他動力設備和能源裝置的車輛。其動力系統(tǒng)很簡單：電池組—電動機—車輛傳動系…

　　電動機的效率遠高于內燃機，而且在工作時沒有任何化學污染物的排放，對節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。而且其機械傳動和控制系統(tǒng)也不是非常復雜。

　　但純電動車輛也存在一些問題：

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

　　(2)另外，純電動車輛的充電場所和充電時間都存在問題。

　　(3)如果我們深入研究其能量轉換鏈，會發(fā)現(xiàn)，純電動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能等完全清潔能源基本上不現(xiàn)實)。

　　石油或者煤炭經過發(fā)電設備轉化成電能、經過輸變電、給電動車的電池充電、再由電池放電給電機做功。能量轉換次數(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)電的過程及其設備維護很可能還是存在污染。(對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，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，但這種努力的結果是：機組規(guī)模巨大、超高壓遠距離輸電、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，維護較復雜，其制造和維護過程中很可能會產生大量污染物。

　　二、燃料電池車輛

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

　　1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉換裝置，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，適應多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點，近年來已在積極地進行開發(fā)。

　　依據(jù)電解質的不同，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，能量轉換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

　　2.基本結構與工作原理

　　(1)燃料電池

　　燃料電池從本質上說是一種電化學裝置，其基本組成與一般電池相同。

　　為實現(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兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。

　　不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，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。

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　　氫-氧燃料電池反應原理

　　這個反映是電觧水的逆過程。電極應為：

　　負極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

　　正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

　　電池反應：H2 + 1/2O2==H2O

　　另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(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電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成，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。

　　在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H+)相關，發(fā)生的反應為：

　　燃料極：H2 =2H+ + 2e- (1)

　　空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O (2)

　　全體：H2+1/2O2 = H2O (3)

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　　氫氧燃料電池組成和反應循環(huán)圖

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