氫氧燃料電池在汽車上的應用

氫或許是理想的替代石油的燃料。太陽能發電、核電、水電、風電、潮汐電、地熱電等不依賴化石燃料的發電形式都可以產生電，電解水就可以產生氫。氫用于內燃機或外燃機都很簡單易行，氫的燃燒結果是水，對環境沒有污染，這似乎是一個取之不盡、用之不竭而又清潔的理想能源來源。但單位體積的氫氣所含的能量遠遠不及汽油或者柴油。增加壓力可以減小同樣重量氫氣所占的體積，但高壓容器的制造和保養都比較復雜，加注氫氣的操作也比較危險，加壓過程本身也要消耗大量能量。液化氫可以進一步縮小體積，但液氫的沸點是零下252攝氏度，不采用超級保溫技術的話，在常溫下氣化的液氫本身也會使容器承受極大的壓力。即使如此，液氫的體積能量密度依然只及汽油的一半左右。氫燃料貯存容器的材料也是一個大問題。除了氦原子外，氫原子是自然界里體積最小的原子，無孔不入。氫原子滲入金屬晶格后，容易造成金屬的氫脆，對容器的安全造成問題，增加了廉價、安全的高壓氫容器的難度。研究表明，在不太高的壓力和不太低的低溫下，氨可以貯存大量的氫，并在催化反應中將氫釋放出來。氨在內燃機燃燒室的壓力下可以很好地燃燒，現代化工工業也有能力提供大量的氨。但氨的制造也需要大量能量，在常溫、常壓下氨有毒性，其劇烈的臭味也給在汽車上大規模使用帶來很多問題。貯存氫的另一個途徑是用氫化物，主要有氫化鋰和氫化硼。氫化物的問題是有很強的毒性，遇水（包括空氣中 的潮氣）會劇烈燃燒，純度要求很高，“充氫”需要復雜的專用設施。還有一種設想是用氫合成碳氫化合物，然后用催化反應釋放氫氣，但既然已經合成成為碳氫化合物了，直接用于內燃機的效率還高一點，就沒有必要舍近求遠了。BMW等汽車公司對氫汽車很有信心，已經試驗性地推出氫汽車，但大規模應用依然遙遙無期。

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BMW的7系列氫汽車

人們給予最大希望的還是要數電動汽車。電動汽車用電動機驅動，噪音極低，無污染。電動機的扭力在起步時達到最大，這對汽車的起步、加速極為有利。不過認為電動機的扭力大所以馬力小一點沒有關系，這是不對的。扭力大對起步、加速有利，但馬力不足時最終速度上不去。為了保證一定的高速公路上的速度，電動汽車的馬力也不能比相應的內燃機小多少。

電動機可以集中安裝，然后用傳動機構驅動輪子；或者直接裝在輪子上，消除傳動損失。集中電機雖然有傳動損失，但傳動和行駛技術成熟。直接安裝在輪子上的電動機不光必須重量輕、體積小，還必須考慮同步問題，否則車子一動就可能扭秧歌。另外，要是其中一臺電動機在高速行駛時故障，必須有適當的技術措施保證不至于造成車子失穩。目前的電動汽車還都是采用集中電機。驅動電機可以是直流電機，也可以是交流電機。直流電機可以調速，但電刷帶來磨損和可靠性問題。交流電機簡單、可靠，但需要額外的變頻調速裝置才能變速。直流電機采用電網交流電時，需要先對交流電進行整流；交流電機采用電池供電時，需要先對直流電進行斬波，然后才能變頻。

內燃機汽車減速或剎車時，靠剎車裝置將動能轉化為熱能，所有能量都是耗散的，沒法回收。電動汽車在減速和剎車時，輪子可以反過來驅動電機而發電，這就是所謂的regenerative braking，這是電動汽車比內燃機節約能源的一個重要原因。不過regenerative braking的應用不是無條件的，只能在適用于通?？梢杂冒l動機掛檔減速（engine braking）的場合下使用，如果是猛然的急剎車，輪子一下子就不轉了，也就談不上regenerative braking了。電動機發電和充電回路也有最大瞬時載荷的限制，減速快于這個限制時，還是要使用常規的剎車；速度減到一定程度，電動機反轉已經無法有效發電時，也無所謂regenerative braking。所以regenerative braking不可能回收減速、剎車過程的全部能量，而只能回收其中的一部分，集中電機還要算進傳動損失。這一部分占多大，取決于具體情況，一般不超過30%，實用中通常在10%左右。不過電動汽車可以瞬時啟動，在紅綠燈前停車時不需要空轉，這在城市行駛時是一個優點。

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Regenerative braking示意圖，這里還是使用集中電機

電能不像化石燃料中的化學能，通常是現發現用，無法貯存，所以除了用“大辮子”從架空電纜取電，電動汽車大體可以分為用蓄電池或超級電容貯存電能的類型和在車上當場發電（如燃料電池或太陽能電池）的類型。

用“大辮子”從架空電纜取電是最簡易的方法，中國城市里曾經有很多的無軌電車，還有更早的有軌電車。但無軌電車的行動范圍受到架空電纜的限制，超車、換線必須在有特殊繼電換線裝置的地點進行，十字路口或換線時容易“掉辮子”，使用很不方便。為了在一根電纜上提供可供足夠多車輛使用的電流，電車電纜必須用較高的電壓，所以必須和市電系統相互獨立。這是額外的建造和維修負擔。受電流負載的限制，每條線路上的電車數量有限制，不能超載。由于諸多實際困難，無軌電車的應用范圍很難超出公交。

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無軌電車，曾經是中國城市中一道熟悉的風景線

人們曾經對燃料電池寄予厚望。典型的燃料電池用氫-氧作為燃料和氧化劑，通過電化學反應，直接將氫氧的化學能轉變為電能。反應沒有噪聲，反應產物水對環境無害。但一個典型的氫氧燃料電池元件只能產生0.86伏電壓，要達到汽車電池的24伏，至少需要28個電池元件。如果要減小電流，降低導電損耗和減小電機的體積、重量，必須達到更高的電壓，那就需要更多的電池元件，否則就要用斬波變交流再通過變壓器的辦法升高電壓。事實上，電動汽車的電壓不是安全的24伏，而是更高效的300伏以上。兩種途徑都大大增加了系統的體積、重量和復雜性，增加了損耗。燃料電池在理論上可以超過卡諾循環的熱效率，這是因為燃料電池沒有熱機那樣的熱工循環，但燃料電池的熱效率隨抽取的電流而下降，也隨氫、氧的雜質而下降。換句話說，如果使用甲醇-空氣，熱效率要比氫氧要低很多。


氫氧燃料電池示意圖

燃料電池在理論優越性始終和實用性脫節，即使是花錢如流水的各國軍方，在投入巨資研究無數年后，也只有德國海軍勉強將使用氫氧燃料電池的214級潛艇剛剛服役。各國汽車界也在燃料電池上投入很多心血，加拿大的Ballard公司一度和多個汽車公司簽約，準備批量供應車用燃料電池，但雷聲大，雨點小，最后不了了之?？紤]到純氫、純氧的制備、運輸、貯存和加注都有相當的難度，車用燃料電池可能最后還是用碳氫類燃料（如甲醇）和空氣，但這樣電池的熱效率大大下降，電池組的體積、重量更大。車用燃料電池的大規模實用化不會在潛艇燃料電池的大規模實用化之前。也就是說，估計20年內不大可能成為汽車的主要動力形式。

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燃料電池汽車示意圖

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燃料電池公共汽車也已經試驗性地在一些歐洲城市運行