氫能源與燃料電池汽車的發展應用

摘要：目前，全球能源需求的持續增長和化石燃料資源儲備日益下降，并且環境安全問題逐漸凸顯，使得建立一種清潔和可持續發展的能源系統成為了各國未來國家安全戰略的迫切需要。氫能來源廣泛、使用清潔而且可再生，是理想的傳統化石燃料的替代能源。本文主要介紹氫能源的發展以及制氫與儲氫技術，并且分析氫能源在汽車的發展之中的技術，即燃料電池汽車。以此解決目前所面臨的能源問題。

關鍵詞：氫能源；制氫；儲氫；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步和發展，那么，未來氫能時代的到來肯定會改變我們人類的生活方式。氫能是最清潔的燃料，單位質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，因此任何在氫氣儲存和使用過程中的過高費用增加對氫氣的應用都是不利的。目前氫能的可再生應用存在很多問題，市場的供求關系并不是抑制氫能發展的主要瓶頸，真正限制氫能廣泛應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氫氣和安全運輸和管理氫氣等，另外氫氣資源的配套設施建設，比如加氫站的建設，都構成了限制氫能使用的因素。

1.2氫氣的發現

最早有關于氫氣記載的文獻是在16世紀，瑞士煉金術士帕拉切爾蘇斯利用酸跟某些金屬反應制備出了氫氣，但由于當時人們對氫氣的認識較局限，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家拉瓦錫，將這種可燃氣體命名為“Hydrogen”。

氫氣是宇宙中最豐富的物質，在地球上氫主要以化合態的形式存在，比如水、碳氫化合物和各類有機化合物。氫在20K（-253.5℃）的低溫條件可以被液化。由于氫的熱導率大，擴散速度快，與氧燃燒時，其傳播速度是甲烷的4倍，氫與氧燃燒極易發生爆炸式反應。氫氣燃燒利用的主要技術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，氫氣被廣泛應用在化工領域。

1.3氫能的研究

由于氫氣具有來源廣泛、單位質量能量密度高、使用無污染及可再生等特點，氫氣一直被視為傳統化石燃料最理想的未來替代能源。對其進行深入的研究對解決能源危機及環境的可持續發展問題具有深遠的戰略意義。世界各國都已經對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、韓國等國家專門設立機構研究氫氣，其用在氫氣研究項目上的費用也是不斷增加，我國也把氫氣作為未來戰略能源的一部分，國內清華大學、大連化工所、浙江大學、同濟大學、武漢理工大學等院校在氫氣研究上有著豐富的經驗。目前，對氫氣的研究主要集中在以下幾個方面：

（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）氫氣的存儲，這方面的研究主要是如何提高氫氣儲存的能量密度和開發新型的儲氫材料以及降低儲存成本；

（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，還有關于氫氣的安全管理和運輸、加氫站的建設以及相關法律法規的研究。本文并非是具體系統對氫氣整個產業做研究，而是對氫氣的制取、存儲及在汽車上應用作大致的說明，以便讀者通過讀取本文，能對氫氣相關知識有初步的認識。

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，制作過程自動化程度高，操作方便，制取的氫的純度較高，可達到99%～99.9%。目前，國內外電解水制氫技術比較完善。理論上，只要電壓達到1.229V就可以進行電解水，但由于氫和氧的生成過程中存在過電壓，電解質干擾以及其他電阻的原因，導致實際電解電壓要高于1.229V。電解水過程中耗電量較高，實際制取lm3（標準）氫氣消耗的電能不低于5kw-h·m^-3，所以在當今來說，電解水制氫的成本還是比較高的。盡管電解水制氫存在嚴重耗能問題，但對于我國來說，仍然具有廣闊的發展前景，我國水能、水電資源豐富，在西南地區具有強大的優勢，如何利用我國地理區域差異以及如何利用水電站用電低谷時的余電一直是學者們研究的問題，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“小水電代燃料生態建設工程”的建設。

2.2化石原料制氫（重整氣制氫）

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。對于以烴類化石原料制氫的技術主要有蒸汽重整、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。目前國內外大規模制氫裝置以烴類水蒸氣轉化為主。這種方法無論在催化劑制備、工藝技術以及裝備的可靠性等方面都已經很成熟，而其他的技術尚在研究階段。氨分解制氫是許多浮法玻璃企業采用的主要制氫方法，基本工藝是液氨經預熱、蒸發成氣氨，在高溫下催化分解成氨氣和氮氣，然后經吸附提純，在分離即可得到高純度的氫氣，但氨分解制氫也存在一些不足，比如反應溫度高，需要大量的熱量，消耗能量，以及對反應器和換熱器的材質要求較高；其次是液氨的運輸帶來的成本增加以及安全問題等。

2.8生物制氫

生物制氫技術是利用微生物在一定條件下能夠產成氫氣來制氫氣的技術。由于傳統的制氫方法存在消耗不可再生能源的問題，不再適應未來社會發展需求，生物制氫技術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、物力進行該項研究，美國每年用于研究生物制氫的單項經費就高達幾百萬美元，而日本則投入更多。這些國家并成立了專門的機構，建立生物制氫發展規劃，對生物制氫基礎技術和應用技術做了大量研究。目前研究的工作重點主要集中在兩個方面：一是，尋求高產量的產氫微生物；二是對產氫工藝的研究。

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力的時間卻只有300年，隨著現在科學技術的進步以及能源危機的日益嚴峻，人類對太陽能的開發利用也不斷加快，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氫在汽車上的應用

3.1燃氫技術

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，氫的燃燒不會產生CO，HC，SOx，碳煙等污染物，在設計良好的清潔氫發動機中，不會造成硫酸沉積，產生苯等致癌物質。所以對燃氫技術的研究引起了很多國家科研學者的廣泛興趣。目前氫能作為汽車內燃機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動機，二是在傳統內燃機燃料（如汽油、柴油）中摻入微量氫氣燃燒。

相比于其他傳統化石燃料，氫作為發動機燃料的有顯著特點：

（1）相比于其他燃料，在較寬的溫度和壓力范圍內，氫氣在缸內有著更高的火焰傳播速度；

（2）點燃式燃氫發動機運行的混合物濃度下限比其他燃料發動機更低；

（3）稀的混合氣濃度，燃氫發動機在上止點處，快的燃燒能量釋放速率使得氫空氣混合物迅速地燃燒，導致較高的效率輸出；

（4）氫燃料發動機有更低排放污染問題；

（5）氫氣快的燃燒速率使得其適合高速發動機；

（6）改變氫燃料發動機點火時刻是改善發動機性能和避免爆震的有效方式；

除此之外，氫燃料發動機還有在工作過程循環跳動更低、高辛烷值、冷啟動性能好、熱量損失小、效率高等特點。

8.2燃料電池

燃料電池汽車是氫能在汽車上應用的主要形式。燃料電池通過氫氣與空氣或氧氣發生電化學反應產生電能驅動電機帶動汽車行駛，燃料電池就相當于一個能量轉換裝置，實現化學能與電能的轉變。與傳統內燃機和電池相比，燃料電池有許多優點。由于燃料電池直接把化學能轉換成電能，其效率遠遠高于內燃機；燃料電池是理想的全固態機械機構系統，這樣的系統具有潛在的高可靠性和長壽命，且運行非常安靜，也不會產生如NOx、Sox和微粒排放等；比較傳統電池，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（手機）做到兆瓦級（動力工廠）。

4結語

近些年來，國內外對氫能的開發和利用做了大量的理論和試驗研究，并取得非常顯著的成就。盡管這一進展令人鼓舞，但離氫能的廣泛商業利用還有很長一段距離，還有很多問題需要解決，例如如何尋找從可再生資源中制取氫氣以及降低氫氣制取的成本；如何提高氫氣的儲存密度；如何改善氫氣的管理和應用安全問題；如何優化氫能汽車的設計以及解決目前氫能在汽車上應用的技術障礙等。只有對這些問題進行全面、協調、深入的研究，才能保證氫能安全、可靠、有效的應用，才能從根本上解決我們未來子孫后代的能源安全問題。