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浅谈燃料电池汽车
作者: 周应军 俞庆伟(编译) 来源: 汽车维修与保养杂志 日期: 2001年第05期

    据有关科学家考察:以现有开釆量为标准来计算,全球石油资源将在七十余年后消失殆尽。那么,以汽油、柴油作为主要燃料的现代汽车又将何去何从呢?

    俗话说,“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”,人类已经为汽车的未来能源作出了许多可行性探索。其中,以燃料电池作为替代能源的方案最具有前瞻性,并迅速成为世界各大汽车公司竞相争占的技术制高点。燃料电池最大的优点是其源源不断、毫不枯竭,这样就为以燃料电池为动力的电动汽车开辟了一条广阔的未来之路。同时,燃料电池的另一优势在于其排出废物仅为水,完全符合绿色环保要求。

    正当人们渐渐淘汰发动机化油器而改用电子燃油喷射系统时,由于燃料电池技术的飞速发展,恐怕又将不得不接受没有发动机的汽车了。汽车技术的发展是多方位的,当排气管冒着浓浓水蒸汽的电动车出现在人们面前时,曾经以电喷技术而“延年益寿”的内燃机(ICE)便显得相形见绌、黯然失色了。

    随着当今人类生存环境的日益恶化和环保意识及举措的不断增强,人们更加看重电动车的动力源泉之——燃料电池FC (Fuel Cells)。原因很简单,即燃料电池的最终代谢物只有水,一种对环境毫无污染又可循环使用的物质。虽然电动车和混合动力车(Hybrids,即综合使用电力和内燃机动力的汽车)已经初露锋芒,但是从目前来看,燃料电池具有先天的优越性,必将获得更为广泛的应用,甚至还将引发汽车工程及业内新一轮翻天覆地的革命和重组。

    就其悠长的历史和证据凿凿的发展历程而言,燃料电池的历史可以回溯到几十年前。事实上,当Nell Armstrong作为人类首次涉足月球时,其乘载的阿波罗飞行器就是以氢燃料电池为动力,并利用该电池产生的电能将著名的“人类第一句月球宣言”的语音信号传回地球。但是,将燃料电池作为替代能源而竞相研发燃料电池汽车也只是近年来才逐渐趋于白日化。

    福特公司凭借其在2000年10月推出的一款燃料电池样车,一跃成为世界上首家将燃料电池汽车从试验阶段加速推向真正产品阶段的汽车制造商。福特Focus是一款以氢为原料的燃料电池汽车,是成功的开端,为福特公司2004年推出新作奠定了基础。现在,不仅福特公司在积极研制可量产化的燃料电池汽车,戴姆勒•克莱斯勒、通用、丰田和本田也竟相加入这一战团,为把燃料电池汽车送达千家万户而摩拳擦掌。 什么是燃料电池?

    燃料电池与传统的车载电池很相似,两者都是通过电化学反应(Electrochemical Process)产生直流电流(燃料电池的变频器可将直流电转化为交流电)。但是与传统电池相比,燃料电池不会将储存在电池中的能量释放出来,或者因储能耗尽而失去功用。恰恰相反,只要得到富含氢的燃料(在供氧的前提下),燃料电池就能不断产生电能。

    氢(燃料)可以通过两种方式输入燃料电池,即直接方式和间接方式。直接方式是将氢存储在储氢罐中或者采用等效的贮存设备,然后将氢直接泵入燃料电池。

    然而,事实上氢燃料并没有得到广泛使用,最主要的障碍是现今各国普遍以液体燃料添加站为基础设施,建立及普及充注氢燃料的各类配套设施并非一朝一夕的事,需要巨大的社会资金投入。这无疑令人们更多地从间接方式人手,即氢燃料间接地从诸如汽油、天然气及其他碳氢化合物等燃料中提取。在这些燃料中,甲醇是最为理想的一种原料。因为甲醇可以通过适当的加工转化为液态,进而存储于现有的加油站中。不过,为了分解出氢气,甲醇必须先泵入车载重整装置(Reformer),而重整装置的设置势必使燃料电池汽车的整体重量有所增加。

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燃料电池怎样工作?

    氢的独特性体现在其原子结构上。在元素周期表中,氢是唯一一种只有质子和电子而无中子的元素。所以在考察氢时,只需关注质子和电子的运动。显而易见,此时为了产生能量驱动电动机(或电阻),仅仅需要电子即可。

    燃料电池的功能是将氢质子与电子分离开来,从而电子才能够摆脱质子的吸引自由地寻求一条接地轨道。通过在燃料电池的电子与接地电路之间设置电阻,可以利用电子运动产生的电能驱动汽车电动机。

    燃料电池分离质子与电子的过程是这样的:电池将泵入的氢气引入介电膜的一侧,同时氧气(空气)被引入介电膜的另一侧。(注意:氢和氧之间具有固有的吸引力,两者合成后生成水H20)

    燃料电池中隔离氢气和氧气的介电膜称为质子交换膜PEM(Proton Exchange Membrane),如上图所示。PEM只允许氢质子穿过介电膜到达吸附在阴极板上氧的附近,这样只剩下电子留在PEM氢的一侧。

    在电子自由运动之时,电池的内部电极板(阳极)吸引电子。电子随后进人外部电路(通过发动机),之后与自身的氢质子重新组合,并与氧发生化合反应最终生成H2O。反应生成的H2O(无其它污染废物)以气态形式从尾气管排出。

    只要氢和氧源源不断地泵人燃料电池,这一循环过程就不会停止。一旦关闭外部泵压装置,即停止供应氢气和氧气,燃料电池就不能继续产生电能了。

    另外,燃料电池整体无运动部件(其中最重要的是电化学反应催化剂),其维修和保养工作主要集中在其外部支持系统上,故障诊断时应优先从这里人手。

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(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:elizabeth)

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