燃料电池电动汽车

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什么是燃料电池电动汽车

  燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能,并作为主要动力源驱动的汽车

  燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种,在车身、动力传动系统、控制系统等方面,燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同,主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说,燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能,电化学反应所需的还原剂一般采用氢气,氧化剂则采用氧气,因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料,氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。

燃料电池电动汽车的关键技术

  燃料电池汽车代表着未来汽车发展的方向,但从目前的技术条件来看离实现全面的商业化还有一定的距离。

  (一)燃料电池发动机

  独立的燃料电池堆是不能作为汽车发动机的,必须和燃料供给系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及能控制各种阀件、传感器和水、热、气调节装置的控制系统等附属系统结合在一起才能对外输出功率。

  燃料的纯洁度关系着电池的性能和可靠性。燃料电池的功率密度随氧气压力的增大而升高,但使用空气压缩机提高空气供给压力又会因压缩机的寄生功率使得输出功率降低。电池内部的水/热管理是燃料电池的难点和重点,是决定电池性能的关键。低温运转的燃料电池堆,热量排出很困难。燃料电池需要潮化薄膜和阳极、阴极气体,使质子转移以产生电力,当在冰点以下温度停车时,发生冷启动问题。

  随着电堆技术的日趋成熟,控制系统将成为决定燃料电池发动机性能和制造成本的瓶颈。研制高效率、低成本和可靠性高的各子系统,及对系统进行优化集成、提高发动机的比功率,改进和实现燃料电池动力平台轻量化和小型化仍是当务之急。

  (二)燃料的制备、储存和运输

  燃料电池车的续驶里程取决于所携带的氢的量,燃料的选择、存储与供给体系及安全问题与汽车主体结构同样重要。燃料电池可以使用多种燃料,但主要为氢气、天然气和甲醇。

  燃料电池电动汽车中燃料的储存及供给方法有2种:直接储存氢气的方式及碳化氢系液态燃料改性的方式。

  直接储存氢气的方式是将氢气直接补充给电动汽车,虽然车上无需改性器,汽车系统较简单, 但必须另外建立补充氢气的设施。常用的储氢方法有:气态压缩储氢、液态储氢、金属氢化物储氢等。碳纳米管和碳晶须储氢材料技术还处在实验室研究阶段。碳化氢系液态燃料改性方式,其燃料补充及补给设施的建立是较容易的,而且具有持续行驶里程长的特点,但是,改性器的存在带来较多技术问题,如增加了车辆的体积和重量,还有响应性能、启动性能方面的问题,而且,含有杂质的改性气体还会使燃料电池发电特性恶化等问题。

  氢气挥发性高,扩散快,在管道、容器中容易泄漏。当氢气在空气中的浓度达4%时,就有可能引起爆炸。燃料系统的安全性也是关键问题之一。

燃料电池电动汽车的发展前景

  1.无水氨燃料电池电动汽车

  有研究称主要被用作肥料的无水氨如果稍加改进,就可以用于内燃机和氨燃料电池,还能为标准氢燃料电池提供氢原料,无水氨分子由一个氮原子和三个氢原子构成,其物理特性与丙烷相仿,在常温常压下为气态,但在常温高压下能变成液态,这一特性使得单位体积的无水氨能够比压缩氢甚至低温液态氢储存更多的氢。除了是一种储存、运输氢的更实用方式外,无水氨还能够在内燃机和氨燃料电池中直接燃烧。与汽油和酒精相比,氨燃点较高,当与空气混合时,爆炸范围相对狭窄。在破裂的氨气罐里发生起火和爆炸的可能性比汽油或酒精罐里发生爆炸的可能性要小。无水氨也是一种广泛应用的杀虫剂,在应用中拥有良好的安全记录。氨气尽管非常危险,但散发出的强烈气味能够提前预警其存在。生产无水氨所需的氢的最大来源是天然气,利用煤、石油焦油和重油馏分也能制造出氢。

  2.水燃料电池电动汽车

  2007年韩国电子展上,三星公司发布了一款以水为燃料的微型手机燃料电池,这引起了相关产业的广泛关注,汽车也不例外。日本Genepax在2007年6月12日在大阪公布其新研发车型,这种车仅需要1L水即可以80km/h速跑1h,而且雨水、河水或海水,任何水均可。他们利用一种名为“水能量系统(WES)”新燃料电池系统技术,利用水来充当燃料,且不排放CO,。此系统的主要特征是使用了一种名为膜电极阻(Membrane ElectrodeAssembly,MEA)的技术,可将水通过化学反应分解为氢气和氧气,进而以此推动汽车前进。这主要就是利用了碱金属和水反应,也就是主要消耗碱金属,但是分解水的能量要大于氢,氧燃烧的能量。虽然这项发明还不完善,但是我们有理由相信,在不久的将来会出现很多新的替代原料。

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