替代内燃机：电动、混合动力和燃料电池汽车

汽车是用油大户，世界每年的汽车产量约4700～4900万辆，20世纪90年代中期，世界的汽车保有量为6.25亿辆，预计到2020年，世界汽车的保有量将达12亿辆。我国是世界增长最快的汽车市场，各类汽车年产量2006年为727.89万辆，2007年为888.89万辆，年增长22.12%，其中轿车年产量2006年为386.94万辆，2007年为479.78万辆，年增长23.99%。根据这种形势，世界各国除大力发展内燃机节油技术，采用替代燃料外，还积极实施替代动力汽车计划。目前替代现有内燃机汽车的动力汽车主要有电动汽车、混合动力汽车和燃料电池车。

（1）电动汽车 电动汽车以车载电源为动力。其主要优点是：电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，其污染物显著减少，且发电厂大多建在远离人口密集的地区，集中排放对清除各种有害排放物较容易，对此也已有相关技术。此外，电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。研究还表明，原油经过粗炼，送至电厂发电，向蓄电池充电，再由蓄电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车要高，因此有利于节约能源和减少CO₂的排放。正是由于这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。

电池是电动汽车发展的关键技术之一。电动汽车目前的困难是蓄电池单位重量所储存的能量太少，使一次充电的行驶里程受到限制，且蓄电池价格较贵。现在普遍看好的是氢镍电池，以及锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单位重量所储存的能量比铅酸电池多一倍，其他性能也都优于铅酸电池，但目前价格为铅酸电池的4～5倍。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量的储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为铅酸电池的4倍，而且锂资源较为丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。

电动汽车其他相关技术近年来都有巨大的进步，如交流感应电动机及其控制，稀土永磁无刷电动机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等。这些技术的进步使电动汽车日渐完善和走向实用化。

（2）混合动力车 混合动力车上装有两个动力源，通常是内燃机再加上蓄电池。它有许多优点：①采用混合动力后，可按平均需要的功率来确定内燃机的最大功率，使其处于油耗低、污染少的最优工况下工作。负荷大而内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷小时内燃机富余的功率可发电给电池充电。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样，不受蓄电池容量的限制。②因为有了电池，可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量。③在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。④有了内燃机，可以十分方便地解决耗能大的汽车空调、取暖、除霜等纯电动车遇到的难题。⑤可以利用现有的加油站加油，不必再投资。⑥可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

混合动力车有三种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联式（或称混联式）。混合动力车的缺点是：需要两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术难度大，价格高。

经过多年研究，混合动力车已有一些成功的例子。日本丰田汽车公司1997年12月宣布，将混合动力电动轿车投入小批量商业化生产，其100km油耗为3.4L，比原汽油车减少一半，CO₂排放量也相应减少一半，CO、HC、NOx仅为现行法规允许值的10%，售价约15000美元。美国克莱斯勒汽车公司于1998年2月在底特律展出第二代混合动力车，100km油耗为3.4L。(www.xing528.com)

为了节约石油，随着我国自主开发的绿色电池的进步，混合动力车在我国也将得到迅速发展。按中、长期发展规划，混合动力车的节油率为40%，2010年，清洁能源汽车将达60万辆，产值1000亿元，占汽车总产量的8%，2020年增至800万辆。

（3）燃料电池电动汽车 燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。燃料电池有多种类型，经过多年的研究和探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将H₂送到负极，经过催化剂（Pt）的作用，H原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的H离子（质子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与O原子和电子重新结合为水。由于O₂可以从空气中获得，只要不断给负极供应H₂，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。

燃料电池的主要优点：①能量转换效率高。其能量转换效率可达60%～80%，为内燃机的2～3倍。②不污染环境。燃料电池的燃料是H₂和O₂，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO₂，也没有S及其微粒排出，没有高温反应，也不产生NOx。如果使用车载的甲醇重整催化器供给H₂，仅会产生微量的CO和较少的CO₂。③寿命长。燃料电池在汽车上没有噪声，没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。

经过多年研究，燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，质子交换膜电池（简称PEM燃料电池）功率密度已大大提高。1990年时，每立方分米可产生140W电力，1995年提高至1000W，2001年为2000W。质子交换膜的价格也下降到540美元/cm²，工作寿命可长达57000h。质子交换膜燃料电池工作温度为80℃，用于催化的Pt的用量大大减少，过去用量是5mg/cm²，一辆汽车仅燃料电池用Pt就要30000美元，比整个汽车还贵，现在已下降到0.4mg/cm²，甚至0.1mg/cm²。在燃料电池的能量转换效率方面，加拿大巴拉德公司已达到怠速时为60%，满负荷时为40%。德国在额定负荷时为59%，在20%的额定负荷时为69%。各种供给H₂的方法，如高压储气瓶、液化氢储存器、金属储氢技术都有明显进步。从甲醇和汽油经重整器获得高密度H₂的技术也有很大进步，为利用现有加油站“加油”而保持汽车长距离行驶提供可能。诚然，PEM燃料电池要在性能及价格方面达到与内燃机汽车有竞争力的水平还有大量的工作要做，特别是价格方面。为了降低价格，正在大力研究新材料（如新的质子交换膜、新的催化材料及技术等）、新结构、新工艺和新技术。

在21世纪，各国都提出了替代动力发展计划，其中美国通用汽车推出的第三代燃料电池汽车，车速可达160km/h，行驶距离为400km，各方面都已达到或非常接近目前普通汽车的水平，到2010年将可以大批量生产。我国在“863”计划中，已明确了替代汽车发展的重点是燃料电池汽车，同时兼顾混合动力电动汽车和纯电动汽车。