燃料電池汽車用燃料電池的氫源發(fā)展趨勢

1、前言

    自 1839年英國化學(xué)家William Grove發(fā)明燃料電池以來，一直處于試驗(yàn)室研究階段，在六十年代美國國家航空航天局把這一技術(shù)作為航天器的動力。在過去的十年里，全世界越來越關(guān)注全球環(huán)境問題，關(guān)注“綠色”技術(shù)。燃料電池具有提高燃料效率和實(shí)現(xiàn)零排放或低排放的特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來的清潔、低噪音車輛的最好動力源。所以在汽車上的燃料電池研究不斷深人，并已取得進(jìn)展。在各種燃料電池汽車中，由于大客車在市區(qū)集中使用，起動停車頻繁用微發(fā)污染物和顆粒物是城市的主要污染源，大客車有空間容納燃料電池發(fā)動機(jī)，被認(rèn)為是最有可能首先走向?qū)嵱茫瑢?shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的車型，所以燃料電池城市大客車的研究與開發(fā)在國外越來越受到重視。加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司在1993年研制了全球第一輛車長9.7m的質(zhì)子交換膜燃料電池大客車，美國首都華盛頓的喬治城大學(xué)于1994 年開發(fā)了車長gm的燃料電池大客車，德國尼奧普蘭汽車公司1999年開發(fā)出車長8m的燃料電池公共汽車，日本豐田公司于200年展示了車長10m的燃料電池大客車，瑞典的斯堪尼亞汽車公司開發(fā)了燃料電池公共汽車，中國清華大學(xué)開發(fā)的車長11m的燃料電池大客車。

    本文在對車用燃料電池氫源的制取、儲存及各自特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，對燃料電池城市大客車的氫源發(fā)展趨勢進(jìn)行研究。 目前，燃料電池主要有五種類型，包括堿性電解質(zhì)燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEM-FC）、磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC），區(qū)別主要在于電池中的電解質(zhì)和工作溫度不同。由于質(zhì)子交換膜燃料電池屬于低溫型燃料電池，保溫問題比較容易解決，而且起動所需要的暖機(jī)時間較短，采用固體膜做電解質(zhì)降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時，當(dāng)以純氫做燃料時，質(zhì)子交換膜燃料電池不需要去除雜質(zhì)的輔助系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，上述優(yōu)點(diǎn)使之成為研究最為活躍、進(jìn)展最快、車上應(yīng)用最多的燃料電池，文獻(xiàn)1所列的27輛燃料電池大客車中，有22輛使用的是質(zhì)子交換膜燃料電池。

    燃料電池的燃料選擇必須考慮幾個方面，包括：運(yùn)輸?shù)姆奖愠潭取Υ娴幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生產(chǎn)成本、資金需求、能量效率和性能等方面。燃料電池使用所使用的燃料很多，電化學(xué)反應(yīng)為： 燃料十氧化劑一水十其它生成物十電 只有當(dāng)燃料電池以氫氣做燃料時，燃料電池的輸出才只有電和水，實(shí)現(xiàn)零排放，而且純氫做燃料時，燃料電池系統(tǒng)起動時間短，動態(tài)響應(yīng)快，盡管在溫室氣體排放、成本和技術(shù)等方面有爭論，但普遍認(rèn)為氫是燃料電池的最好燃料，所以近期開發(fā)的車用燃料電池都要求以氫氣為燃料。

2、車用燃料電池的氫源及特點(diǎn) 車用燃料電池所使用的氫氣可以有兩種途徑獲得：

    1）儲存在車上氣瓶里的純統(tǒng)；

    2）由車載重整裝置對甲醇、天然氣和原油中的碳?xì)浠衔铮ㄈ?a href="http://www.hntv520.com/news/nengyuan/" title="汽油" target="_blank">汽油，柴油等）重整后得到富含氫的氣體，直接提供給燃料電池； 儲存在車上的純氫可以采用電解水或地面重整制氫后存儲在加氣站。根據(jù)制氫地點(diǎn)的不同，有就地制氫和通過運(yùn)輸供氫的集中制氫兩類。就地制氫可省去運(yùn)輸過程，集中制氫不但要有運(yùn)輸過程，而且現(xiàn)場要有較大的儲氫設(shè)備。氣態(tài)氫可以采用管線輸送至加氣站，利于降低成本。當(dāng)采用非車載制氫方案時，氫的存儲、運(yùn)輸?shù)确矫娲嬖诤艽蟮奈ｋU性，需要相當(dāng)完備的報警系統(tǒng)。

2.1電解水制氫

   電解水制氫的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠得到純度很高的氫氣，提供給燃料電池，可以實(shí)現(xiàn)零排放。電解水制氫所使用的能源可以來自水力能、太陽能、風(fēng)能和原子能等無污染的能源，對環(huán)境的污染很少。電解產(chǎn)生的氫氣經(jīng)干燥提純、壓縮后送去儲存。

 2.2地面重整制氫

   重整制氫可以采用甲醇、天然氣或從原油中提煉的碳?xì)浠衔铮?a href="http://www.hntv520.com/news/nengyuan/" title="汽油" target="_blank">汽油、柴油等為原料。而地面重整制氫以天然氣、甲醇等為原料在地面進(jìn)行，然后由加氣站給車上的氣瓶加注即可，這樣車上可以不必安裝重整裝，利于整車布置，降低車輛控制的復(fù)雜程度。 汽油重整制氫 利用汽油重整制氫，可以使用現(xiàn)有的完善的基礎(chǔ)設(shè)施。汽油含有不同類型的碳?xì)浠衔铮ㄍ闊N類（paraffins），環(huán)烷烴（naphthens），烯烴（olefins）和芳烴（aromatics）,而且汽油還含有許多硫化合物以及少量的添加劑，有時甚至含有氧化劑和乙醇。在不考慮芳香族化合物時，汽油的碳?xì)涑煞菥哂邢嗨频闹卣阅埽趸砑觿┯兄诟纳浦卣磻?yīng)。值得注意的是:

1)芳香族化合物和硫化合物會導(dǎo)致重些反應(yīng)的迅速退化，而且重整反應(yīng)的降低與芳香族化合物的類型有關(guān)；

2）所有汽油重整處理系統(tǒng)都要求溫度超過700℃以上，才能分解汽油中的穩(wěn)定成分以及中間成分甲烷；

3）重整系統(tǒng)要求不含一氧化碳；

4）冷起動時要求外部熱源加熱，以達(dá)到重整裝置催化劑的工作溫度。目前汽油重整還有許多技術(shù)問題。 甲醇重整制氫 車載重整裝置利用甲醇制氫的燃料電池汽車可以實(shí)現(xiàn)近零排放，其優(yōu)點(diǎn)在于甲醇比氫氣易于存儲和運(yùn)輸，而且比汽油容易重整。但是在氫氣中的一氧化碳會影響燃料電池的性能，所以一氧化碳的凈化非常重要，需要一氧化碳凈化裝置，增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

    天然氣重整制氫 天然氣重整制氫會產(chǎn)生二氧化碳，盡管比內(nèi)燃機(jī)車輛排出的少，而且比其它制氫方法效率高，但這種方法會造成溫室效應(yīng)的氣體，對地球環(huán)境帶來危害，已被“京都協(xié)議”所限制。 燃料電池的輸出與進(jìn)人陽極的氫氣純度有關(guān)，壓縮純氫存儲方式提供的是純氫，而按體積計(jì)算，甲醇重整提供的氫純度是 75％，汽油重整提供的氫純度是 35％。目前越來越多的燃料電池汽車使用純氫或甲醇重整氫氣做氫源。

上一頁 1 2 下一頁