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燃料电池汽车和氢燃料性质及获取办法


《新能源》 / 2012-03-23

燃料电池汽车和氢燃料
    经过一个多世纪的发展,汽车已经成为对社会发展产生巨大影响的产品,汽车工业也成为一个国家物质文明和科学技术水平的重要标志。但是,汽车在带给人们方便、快捷和舒适的同时,也带来了日趋严重的环境污染和潜在的能源危机。基于此,各国政府和科技工作者在控制汽车污染物排放和降低油耗的同时,正积极开展各种替代燃料汽车技术的开发和应用。
    在20世纪的最后几年里发生了许多变化,作为解决人类可持续发展能源的方案之一,人们对燃料电池技术产生了新的兴趣,目前正在探索以氢为燃料的新技术,并期望从21世纪中期开始,有可能在运输领域逐渐步入使用氢替代燃料的时代。目前,我国正在开展燃料电池汽车的研究,其中质子交换膜燃料电池( PEMFC)是近几年研究最广泛、技术发展最迅速的燃料电池。由于其电解质采用高分子膜,具有构造简单、启动快、工作温度较低等优点,最适宜为汽车等交通工具提供动力;而且由于质子交换膜燃料电池( PEMFC)具有很高的比能量和比功率,可以实现零排放,具有低温启动等优点,因此是未来电动汽车最理想的动力源之一。在PEMFC中,氧是燃料电池中常用的氧化剂,它能很方便地从空气中获取。氢气是燃料电池常用的燃料气,而在地球周围单质氢是极少的,在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在,但都难于开采与收集。因此,正如FORD公司的一名高级技术研究人员指出的,解决氢源的问题比解决燃料电池本身更有意义。未来大规模推广使用燃料电池必须要解决氢源问题。
    有关燃料电池及燃料电池汽车的内容,在本书第6章燃料电池和第11章燃料电池汽车中已经进行较为详细的论述,这里不再赘述。本节主要介绍氢燃料的制取、储存、运输和加注。
 

氢的基本性质
    氢是自然界最丰富的元素之一。在地球上,氢主要以化合态形式存在于水和化石燃料中。氢的单质——氢气是一种无色、无味的弋体,在1个标准大气压和273K状态下,密度为0.089g/IL,是最轻的气体。
    氢气有气、液、固三态,氢的临界点温度很低,所谓临界点代表物质的这样一类特性:气态物质在温度高于其本身的临界温度时,无论施加多么大的压力也是不能液化的。只有当温度达到或低于临界温度时,加压才能液化。氢气的临界温度是- 239. 96℃(33. 19K),远远低于常温25℃(298. 15K),所以在常温下氢气是一种永恒气体。氮气和氧气也是属于临界温度远低于常温的气体,很难液化。而临界温度高于常温的气体很容易液化,因为在常温下给它加压就液化,如水、氨气等就属于易液化气体。因此氢液化时,往往不能依靠直接降温(因为低温源不容易得到),而只能够通过高压气体的绝热膨胀来获得所需要的超低温,然后才能液化。盛液态氢的容器必须是略有出口,允许少部分液态氢蒸发逸失来保持液态氢的低温。这样就给液态氢的使用带来许多麻烦问题,逸散的氢气容易与空气混合,在与空气形成的混合气体中氢气的体积浓度为4.O%~75%时就构成爆炸性的混合物,有引爆的潜在危险。
    临界点除临界温度外,还有临界压力和临界体积。氢的临界压力为12.98标准大气压,即在临界温度- 239. 96C(33. 19K)时,施加12. 98标准大气压的压力,氢气便可液化。而在1个标准大气压下,氢的液化温度为- 252. 75℃(20. 4K),此时液氢的密度为71g/L,在同样条件下氢气的凝固温度为-259. 25℃(13. 9K),固态氢的密度为89 g/L。临界体积是指在临界点时,每摩尔物质所占的体积。因此,氢气经液化或固化之后,其重量密度和能量密度都大大提高,这对提高储存、运输和使用的效率比较有利。
 

氢燃料的制取
     氢作为一种“载能体”,可通过多种途径制得。目前在车辆上主要是以气态(少数液态)储存。氢作为车用替代燃料,通过燃料电池产生电能,副产物是水,是一种环境友好的过程,但各种氢燃料生产、使用过程的全生命周期对环境和能量效率的影响,尚需进一步做出评估。


    人们正在研究的制氢方式多种多样,既可通过化学方法对化合物进行重整、分解等方式获得,也可利用产氢微生物进行发酵或光合作用来制得氢气。本章主要针对比较实用的三种制氢方法——电解水、天然气重整和副产品氢进行分析,就制氢成本和根据这三种方法建立加氢站的成本进行分析。
   

     要将氢作为车用替代燃料,还面临许多挑战。首先有大规模、低成本的氢来源问题,同时氢也难以储存和分发,至今还没有找到理想的储氢方法。与汽油、甲醇等液态燃料相比,单位体积的气态氢所含的能量较小,液态氢虽有较高的能量密度,但它必须在低温、高压下储存,要想得到液氢,必须将它冷却到-253℃,这要消耗掉它自身所含能量的25%~30%,冷却0.45kg (llb)氢需要5kW.h的电能。若使用压缩氢气,消耗的能量比获得液氢所需能量少得多,但储氢压力要达到25~35MPa以上才能有实用价值。在运送压缩氢时,氢要储存在高压容器中,而这种高压容器价格昂贵。


    建设用于支持燃料电池车辆的示范试验用的加氢站方案,首先要考虑加氢站用的氢来自何处,这取决以下因素:
    ①所在地的资源和能源状况;
    ②氢燃料的生产成本,氢的纯度要达到燃料电池制造商的要求,即大于99. 999%;
    ③日供氢量和建站投资;
    ④运输和储存的安全性。
    人们正在研究的各种制氢方法(光电化学处理制氢、生物制氢、热水分裂制氢、太阳能制氢等)。


    目前,为燃料电池汽车提供氢的比较经济实用的途径主要有三种:
    ①电解水制氢;
    ②天然气蒸汽重整制氢;
    ③来自焦化厂、氯碱工厂或石油精炼厂的副产品氢,有条件的地方,将焦化厂、氯碱工厂或原油精炼时的副产品氢,作为氢燃料。对于用氢量相对较小的示范应用来说,应是一种首选的方案,但是必须充分评估氢的纯度及其提纯问题。
 

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