燃料電池汽車用燃料電池的氫源發展趨勢

1、前言

    自 1839年英國化學家William Grove發明燃料電池以來，一直處于試驗室研究階段，在六十年代美國國家航空航天局把這一技術作為航天器的動力。在過去的十年里，全世界越來越關注全球環境問題，關注“綠色”技術。燃料電池具有提高燃料效率和實現零排放或低排放的特點，被認為是未來的清潔、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，并已取得進展。在各種燃料電池汽車中，由于大客車在市區集中使用，起動停車頻繁用微發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動機，被認為是最有可能首先走向實用，實現產業化的車型，所以燃料電池城市大客車的研究與開發在國外越來越受到重視。加拿大巴拉德動力系統公司在1993年研制了全球第一輛車長9.7m的質子交換膜燃料電池大客車，美國首都華盛頓的喬治城大學于1994 年開發了車長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了燃料電池公共汽車，中國清華大學開發的車長11m的燃料電池大客車。

    本文在對車用燃料電池氫源的制取、儲存及各自特點分析的基礎上，對燃料電池城市大客車的氫源發展趨勢進行研究。 目前，燃料電池主要有五種類型，包括堿性電解質燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（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），區別主要在于電池中的電解質和工作溫度不同。由于質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時間較短，采用固體膜做電解質降低了結構的復雜性，同時，當以純氫做燃料時，質子交換膜燃料電池不需要去除雜質的輔助系統，使系統結構簡化，上述優點使之成為研究最為活躍、進展最快、車上應用最多的燃料電池，文獻1所列的27輛燃料電池大客車中，有22輛使用的是質子交換膜燃料電池。

    燃料電池的燃料選擇必須考慮幾個方面，包括：運輸的方便程度、儲存的基礎設施建設、生產成本、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，電化學反應為： 燃料十氧化劑一水十其它生成物十電 只有當燃料電池以氫氣做燃料時，燃料電池的輸出才只有電和水，實現零排放，而且純氫做燃料時，燃料電池系統起動時間短，動態響應快，盡管在溫室氣體排放、成本和技術等方面有爭論，但普遍認為氫是燃料電池的最好燃料，所以近期開發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 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；

    2）由車載重整裝置對甲醇、天然氣和原油中的碳氫化合物（如汽油，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。根據制氫地點的不同，有就地制氫和通過運輸供氫的集中制氫兩類。就地制氫可省去運輸過程，集中制氫不但要有運輸過程，而且現場要有較大的儲氫設備。氣態氫可以采用管線輸送至加氣站，利于降低成本。當采用非車載制氫方案時，氫的存儲、運輸等方面存在很大的危險性，需要相當完備的報警系統。

2.1電解水制氫

   電解水制氫的最大優點就是能夠得到純度很高的氫氣，提供給燃料電池，可以實現零排放。電解水制氫所使用的能源可以來自水力能、太陽能、風能和原子能等無污染的能源，對環境的污染很少。電解產生的氫氣經干燥提純、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氫化合物，如汽油、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，降低車輛控制的復雜程度。 汽油重整制氫 利用汽油重整制氫，可以使用現有的完善的基礎設施。汽油含有不同類型的碳氫化合物，包括烷烴類（paraffins），環烷烴（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，汽油的碳氫成份具有相似的重整性能，氧化添加劑有助于改善重整反應。值得注意的是:

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

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

3）重整系統要求不含一氧化碳；

4）冷起動時要求外部熱源加熱，以達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現近零排放，其優點在于甲醇比氫氣易于存儲和運輸，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，增加結構的復雜程度。

    天然氣重整制氫 天然氣重整制氫會產生二氧化碳，盡管比內燃機車輛排出的少，而且比其它制氫方法效率高，但這種方法會造成溫室效應的氣體，對地球環境帶來危害，已被“京都協議”所限制。 燃料電池的輸出與進人陽極的氫氣純度有關，壓縮純氫存儲方式提供的是純氫，而按體積計算，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。

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