氫能源與燃料電池汽車的發(fā)展應(yīng)用4頁

1、龍?jiān)雌诳W(wǎng) 氫能源與燃料電池汽車的發(fā)展應(yīng)用作者：馬碩來源：時(shí)代汽車2017年第11期        摘要：目前，全球能源需求的持續(xù)增長和化石燃料資源儲(chǔ)備日益下降，并且環(huán)境安全問題逐漸凸顯，使得建立一種清潔和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)成為了各國未來國家安全戰(zhàn)略的迫切需要。氫能來源廣泛、使用清潔而且可再生，是理想的傳統(tǒng)化石燃料的替代能源。本文主要介紹氫能源的發(fā)展以及制氫與儲(chǔ)氫技術(shù)，并且分析氫能源在汽車的發(fā)展之中的技術(shù)，即燃料電池汽車。以此解決目前所面臨的能源問題。     &

2、#160;  關(guān)鍵詞：氫能源；制氫；儲(chǔ)氫；燃料電池汽車        1概述        1.1文章綜述        就人類燃料演化角度來看，氫將成為人類未來的燃料。人類燃料演化過程經(jīng)歷了從煤到石油再到天然氣的過程，因此隨著氫氣的不斷應(yīng)用，未來燃料肯定是氫能。人類史上每一次燃料的演化都伴隨人類文明的進(jìn)步和發(fā)展，那么，未來氫能時(shí)代的到來

3、肯定會(huì)改變我們?nèi)祟惖纳罘绞?。氫能是最清潔的燃料，單位質(zhì)量的氫氣有著三倍于汽油的熱值。然而，氫氣并非自然資源，而是人造資源，故氫氣的生產(chǎn)和制取都要消耗成本，氫氣的制取成本也將近汽油的三倍，因此任何在氫氣儲(chǔ)存和使用過程中的過高費(fèi)用增加對(duì)氫氣的應(yīng)用都是不利的。目前氫能的可再生應(yīng)用存在很多問題，市場的供求關(guān)系并不是抑制氫能發(fā)展的主要瓶頸，真正限制氫能廣泛應(yīng)用的原因還在于如何高效的制取氫氣以及高效低耗能存儲(chǔ)氫氣和安全運(yùn)輸和管理氫氣等，另外氫氣資源的配套設(shè)施建設(shè)，比如加氫站的建設(shè)，都構(gòu)成了限制氫能使用的因素。        

4、1.2氫氣的發(fā)現(xiàn)        最早有關(guān)于氫氣記載的文獻(xiàn)是在16世紀(jì)，瑞士煉金術(shù)士帕拉切爾蘇斯利用酸跟某些金屬反應(yīng)制備出了氫氣，但由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)氫氣的認(rèn)識(shí)較局限，直接把這種新氣體劃分為空氣。首次明確定義氫氣的是杰出的化學(xué)家拉瓦錫，將這種可燃?xì)怏w命名為“Hydrogen”。        氫氣是宇宙中最豐富的物質(zhì)，在地球上氫主要以化合態(tài)的形式存在，比如水、碳?xì)浠衔锖透黝愑袡C(jī)化合物。氫在20K（-253.5）的低溫條件可以被液化。由于氫的

5、熱導(dǎo)率大，擴(kuò)散速度快，與氧燃燒時(shí)，其傳播速度是甲烷的4倍，氫與氧燃燒極易發(fā)生爆炸式反應(yīng)。氫氣燃燒利用的主要技術(shù)問題是如何控制燃燒速度。氫氣是一種比較常見的還原劑，因此，氫氣被廣泛應(yīng)用在化工領(lǐng)域。        1.3氫能的研究        由于氫氣具有來源廣泛、單位質(zhì)量能量密度高、使用無污染及可再生等特點(diǎn)，氫氣一直被視為傳統(tǒng)化石燃料最理想的未來替代能源。對(duì)其進(jìn)行深入的研究對(duì)解決能源危機(jī)及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。世界各國

6、都已經(jīng)對(duì)氫氣的研究作了大量的工作，比如美國、日本、德國、英國、俄羅斯、韓國等國家專門設(shè)立機(jī)構(gòu)研究氫氣，其用在氫氣研究項(xiàng)目上的費(fèi)用也是不斷增加，我國也把氫氣作為未來戰(zhàn)略能源的一部分，國內(nèi)清華大學(xué)、大連化工所、浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等院校在氫氣研究上有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，對(duì)氫氣的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：        （1）氫氣的制取，這方面的研究主要涉及如何降低氫氣制取成本以及提高制取工藝水平等；        （2）氫氣的

7、存儲(chǔ)，這方面的研究主要是如何提高氫氣儲(chǔ)存的能量密度和開發(fā)新型的儲(chǔ)氫材料以及降低儲(chǔ)存成本；        （3）氫氣的利用，這方面的研究主要涉及如何提高氫氣的利用效率；        此外，還有關(guān)于氫氣的安全管理和運(yùn)輸、加氫站的建設(shè)以及相關(guān)法律法規(guī)的研究。本文并非是具體系統(tǒng)對(duì)氫氣整個(gè)產(chǎn)業(yè)做研究，而是對(duì)氫氣的制取、存儲(chǔ)及在汽車上應(yīng)用作大致的說明，以便讀者通過讀取本文，能對(duì)氫氣相關(guān)知識(shí)有初步的認(rèn)識(shí)。   

8、0;    2氫氣的制取        2.1電解水制氫        電解水制氫工藝是很古老的制氫方法，制作工藝簡單，制作過程自動(dòng)化程度高，操作方便，制取的氫的純度較高，可達(dá)到99%99.9%。目前，國內(nèi)外電解水制氫技術(shù)比較完善。理論上，只要電壓達(dá)到1.229V就可以進(jìn)行電解水，但由于氫和氧的生成過程中存在過電壓，電解質(zhì)干擾以及其他電阻的原因，導(dǎo)致實(shí)際電解電壓要高于1.229V。電解水過程中耗電

9、量較高，實(shí)際制取lm3（標(biāo)準(zhǔn)）氫氣消耗的電能不低于5kw-h·m-3，所以在當(dāng)今來說，電解水制氫的成本還是比較高的。盡管電解水制氫存在嚴(yán)重耗能問題，但對(duì)于我國來說，仍然具有廣闊的發(fā)展前景，我國水能、水電資源豐富，在西南地區(qū)具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，如何利用我國地理區(qū)域差異以及如何利用水電站用電低谷時(shí)的余電一直是學(xué)者們研究的問題，利用電解水制氫的辦法可以解決這些問題，目前我國也正積極地推進(jìn)“小水電代燃料生態(tài)建設(shè)工程”的建設(shè)。        2.2化石原料制氫（重整氣制氫）    

10、;    化石原料制氫就是以煤、焦炭、石油、天然氣以及由它們衍生的甲醇、氨氣等作為原料制取氫氣的方法，目前全世界大約95%的氫氣都由這種方法制取。對(duì)于以烴類化石原料制氫的技術(shù)主要有蒸汽重整、自熱重整（氧化重整）、烴類分解、輕烴選擇氧化制氫以及等離子體蒸汽重整五種不同制取工藝。目前國內(nèi)外大規(guī)模制氫裝置以烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化為主。這種方法無論在催化劑制備、工藝技術(shù)以及裝備的可靠性等方面都已經(jīng)很成熟，而其他的技術(shù)尚在研究階段。氨分解制氫是許多浮法玻璃企業(yè)采用的主要制氫方法，基本工藝是液氨經(jīng)預(yù)熱、蒸發(fā)成氣氨，在高溫下催化分解成氨氣和氮?dú)?，然后?jīng)吸附提純，在分離即可得到

11、高純度的氫氣，但氨分解制氫也存在一些不足，比如反應(yīng)溫度高，需要大量的熱量，消耗能量，以及對(duì)反應(yīng)器和換熱器的材質(zhì)要求較高；其次是液氨的運(yùn)輸帶來的成本增加以及安全問題等。        2.8生物制氫        生物制氫技術(shù)是利用微生物在一定條件下能夠產(chǎn)成氫氣來制氫氣的技術(shù)。由于傳統(tǒng)的制氫方法存在消耗不可再生能源的問題，不再適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展需求，生物制氫技術(shù)正日益受到各國重視，其中德國、日本、美國、以色列、俄羅斯、英國等都投入了大量人力

12、、物力進(jìn)行該項(xiàng)研究，美國每年用于研究生物制氫的單項(xiàng)經(jīng)費(fèi)就高達(dá)幾百萬美元，而日本則投入更多。這些國家并成立了專門的機(jī)構(gòu)，建立生物制氫發(fā)展規(guī)劃，對(duì)生物制氫基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)做了大量研究。目前研究的工作重點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：一是，尋求高產(chǎn)量的產(chǎn)氫微生物；二是對(duì)產(chǎn)氫工藝的研究。        2.4太陽能制氫        人類利用太陽能的歷程可以追溯到3000年前，而將太陽能加工為一種能源和動(dòng)力的時(shí)間卻只有300年，隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以

13、及能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，人類對(duì)太陽能的開發(fā)利用也不斷加快，其中利用太陽能制氫就是人類利用太陽能的方法。目前利用太陽能制氫的方法主要有太陽熱分解水制氫、太陽能光伏發(fā)電制氫、光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等。        3氫在汽車上的應(yīng)用        3.1燃?xì)浼夹g(shù)        氫能也許一種理想的能源，由于其可以從非化石原料中獲取，氫的燃燒不會(huì)產(chǎn)生CO，

14、HC，SOx，碳煙等污染物，在設(shè)計(jì)良好的清潔氫發(fā)動(dòng)機(jī)中，不會(huì)造成硫酸沉積，產(chǎn)生苯等致癌物質(zhì)。所以對(duì)燃?xì)浼夹g(shù)的研究引起了很多國家科研學(xué)者的廣泛興趣。目前氫能作為汽車內(nèi)燃機(jī)的直接燃料的方式主要有兩種，一是直接使用氫氣作為燃料的全氫發(fā)動(dòng)機(jī)，二是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料（如汽油、柴油）中摻入微量氫氣燃燒。        相比于其他傳統(tǒng)化石燃料，氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的有顯著特點(diǎn)：        （1）相比于其他燃料，在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)，氫氣在缸內(nèi)有著更

15、高的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?#160;       （2）點(diǎn)燃式燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的混合物濃度下限比其他燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更低；        （3）稀的混合氣濃度，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)處，快的燃燒能量釋放速率使得氫空氣混合物迅速地燃燒，導(dǎo)致較高的效率輸出；        （4）氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有更低排放污染問題；      

16、0; （5）氫氣快的燃燒速率使得其適合高速發(fā)動(dòng)機(jī)；        （6）改變氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和避免爆震的有效方式；        除此之外，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)還有在工作過程循環(huán)跳動(dòng)更低、高辛烷值、冷啟動(dòng)性能好、熱量損失小、效率高等特點(diǎn)。        8.2燃料電池      

17、;  燃料電池汽車是氫能在汽車上應(yīng)用的主要形式。燃料電池通過氫氣與空氣或氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)汽車行駛，燃料電池就相當(dāng)于一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電池相比，燃料電池有許多優(yōu)點(diǎn)。由于燃料電池直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)；燃料電池是理想的全固態(tài)機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)具有潛在的高可靠性和長壽命，且運(yùn)行非常安靜，也不會(huì)產(chǎn)生如NOx、Sox和微粒排放等；比較傳統(tǒng)電池，燃料電池允許在功率和容量之間任意縮放，其尺寸也可從1瓦級(jí)（手機(jī)）做到兆瓦級(jí)（動(dòng)力工廠）。        4結(jié)語  &#