燃料电池汽车和氢燃料性质及获取办法

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。