9.1 燃料电池汽车的结构

除了第8章中介绍过的电动汽车(EV,Electric Vehicle)外,还有几种使用电的汽车,例如燃料电池汽车、混合动力汽车等(表9.1)。下面我就按顺序介绍一下。

表9.1 主要的电动汽车和混合动力汽车

新一代电动汽车的 种类 方式 特征
电动汽车 电动汽车(EV) 依靠提前给蓄电池充电来 行驶
燃料电池汽车(FCV) 以氢为燃料发电,利用其放出的电行驶
混合动力汽车 混合动力汽车(并联式) 以发动机和电动机作为行驶的动力
混合动力汽车(串联式) 发动机仅用于启动发电机,汽车依靠发电机放出的电行驶

提前给车载的蓄电池充电,利用其放出的电启动电动机,这是电动汽车行驶的前提。而有的电动汽车即使不事先给蓄电池充电也能行驶,它就是边发电边行驶的燃料电池汽车FCV:Fuel Cell Vehicle)。

蓄电池的容量问题催生出了燃料电池汽车。如今的电动汽车搭载的电池是高性能的锂离子电池,它的出现带动了能够连续行驶150km左右甚至更远距离的小型电动汽车的诞生。而在此之前的蓄电池并不能驱动汽车行驶得如此之远。

如果电动汽车使用的是搭载在汽油动力车上的铅酸蓄电池,那么充一次电就只能行驶40~50km。之后出现的用于混合动力汽车的镍金属氢化物电池与锂离子电池类似,也能驱动汽车行驶很长的距离,但其体积较大,并不适合小型汽车使用。环境问题和能源问题的出现提高了对电动汽车的关注度,但在锂离子电池真正用于汽车之前,都无法期待电动汽车能够抢占汽油动力车的宝座。

因此,在20世纪90年代前半期诞生的燃料电池汽车,是装有发电装置的电动汽车中的一种。当时人们的设想是:如果是本身能发电的燃料电池汽车,那其行驶距离不就与汽油动力车一样长了吗?实际上燃料电池汽车的行驶距离的确与汽油动力车大致相同,供给一次燃料能够行驶600~800km。

因此,作为新一代的汽车,燃料电池汽车与第8章中所介绍的搭载蓄电池的电动汽车一样,也是很值得期待的。

电动汽车(EV)是从外部给搭载在汽车上的蓄电池充电,利用储存在蓄电池中的电启动电动机,驱动汽车。而燃料电池汽车(FCV)是将作为燃料的氢储藏在燃料箱中,使燃料电池利用氢发电,依靠其放出的电启动电动机,驱动汽车。燃料电池汽车给燃料箱补充氢就相当于电动汽车给蓄电池充电。

即便如此,燃料电池的意思或许还是很难理解。一说起汽车的燃料,我们通常会想起汽油和轻油。而一说起电池,我们一般会想到干电池和汽车的蓄电池。所以您或许很纳闷,燃料和电池究竟是如何结合起来的呢?

我们把用氢作为燃料进行化学反应从而发电的装置称为燃料电池。燃料电池汽车并没有大量搭载蓄电池,而是利用燃料电池发出的电启动电动机,驱动汽车。

英语中把燃料电池称为Fuel Cell。Fuel是指燃料,在燃料电池汽车中是用氢作为燃料的,而Cell有电池的意思,因此Fuel Cell直译过来就是燃料电池。但我还要再强调一遍的是,燃料电池虽然叫做电池,但归根结底都是以氢为燃料进行发电的装置。

Cell(电池)的原义是小屋,我们把由一组正极(+)、负极(-)以及电解质组成的发电装置的最小单位称为单体电池。就像在第2章中讲到的那样,用于启动发动机的铅酸蓄电池也是由单体电池组成的。1组单体电池能够产生2伏特的电,6组单体电池就能产生12伏特的电。因此,汽车中的音响等电器都是由12伏特的电启动的。日本的家电产品通常是由100伏特的电启动的,与此相比,启动汽车中的机器所用的电压就很小了。

同样,燃料电池的最小单位也是单体。在一组正极(+)和负极(-)中,正极装入氧,负极装入氢。利用涂在电极表面的白金催化剂,氢分解为电子(-)和氢离子(带+电的氢原子)。随后,氢离子移动到正极与氧结合,变成水时电子会通过线路流至正极,从而产生电(图9.1)。

燃料电池的结构

图9.1 燃料电池的结构
※展示了单体电池的内部结构。正极中装入氧,负极中装入氢,利用白金催化剂将氢分解为电子和离子。当离子移动到正极生成水时,电子就流经线路形成电。

每个单体燃料电池大约能产生1伏电,几百个单体聚集起来就能产生几百伏电,从而驱动燃料电池汽车。几百组单体燃料电池堆积起来就形成了燃料电池堆

持续地向燃料电池中输送作为燃料的氢,电池就能持续发电。由于空气中没有氢,因此需要将其储存在车载燃料箱里运送。而送入正极的氧就存在于空气中,因此可以直接利用,而无需特意将其作为燃料储存在燃料箱中运送。

燃料电池汽车是依靠燃料电池产生的电而行驶的电动汽车,因此其正式名称为燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle),也就是说FCEV才是正确的叫法。但由于这个名字太长,所以我们一般称之为燃料电池汽车或者FCV。

当驾驶员踩下加速踏板时,氢就会从氢储存箱中流入燃料电池。在汽油动力车中,踩下加速踏板的程度能够调整流入发动机的空气量。同样,在燃料电池汽车中,也能调整氢流入燃料电池这一发电装置中的量。燃料电池根据氢的量产生电,将电流通入电动机,从而带动电动机转动。燃料电池汽车正是依靠电动机转动产生的力前进和加速的。

燃料电池汽车之所以被称为“终极环保车”,就是因为它是利用氢和氧来发电的。氢和氧发生化学反应产生电之后,氢和水的结合生成的是水,而不会像发动机燃烧汽油和轻油之后会排出有害物质,非常利于保护环境。

并且,除了水之外,氢还存在于石油(包括汽油、煤油、丙烷气等)、天然气以及乙醇类(被称为生物燃料的物质等)物质中。因此,氢可以从各种原料中获得,可谓“取之不尽”。

而作为地下资源的石油和天然气是有限的。根据其蕴藏量进行推算,有预测称还可开采40~60年,因此节能迫在眉睫。并且这些燃料燃烧时还会产生二氧化碳(CO2),加剧全球变暖的趋势。

使用氢的燃料电池在发电后只排出水,因此给环境造成的负担是非常小的。这样看来,在今后的50~100年内,无论是在不使用地下资源方面,还是在改善地球环境方面,燃料电池汽车都可以成为终极环保车。

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