化学论文——氢氧燃料电池及其在汽车领域的应用.doc

琳琅满目的化学电源氢氧燃料电池hydrogen oxygen fuel cell氢氧电池是一种以氢、氧作为燃料的，将氢氧反应的化学能转化为电能的燃料电池，它可以在较低的工作温度下把氢氧反应在电池中释放的化学能直接且连续的变为电能。氢氧电池的燃料氢是燃料电池的最佳燃料。同时氢氧电池是技术上比较成熟并得到多方面应用的燃料电池。氢氧燃料电池的理论比能量达3600瓦时/公斤。单体电池的工作电压一般为0.80.97伏,为了满足负载所需的工作电压，往往由几十个单体电池串联成电池组。一、工作原理氢氧燃料电池工作时，向阳极和阴极分别输入氢气和氧气（或空气），氢气和氧气在电极与电解质间的界面上发生电极反应，同时向外电路输出电流。二、电极反应若电解质溶液是碱、盐溶液则 负极反应式为：2H2 + 4OH-4e= 4H20 正极为：O2 + 2H2O + 4e= 4OH 若电解质溶液是酸溶液则 负极反应式为：2H2-4e=4H+（阳离子） 正极为：O2+4e+4H+=2H2O 三、优缺点1、优点（1）发电效率高传统的大型火力发电效率为35%40%。氢氧燃料电池的能量转换效率可高达6080%，为内燃机的23倍； 此外，火力发电必须达到一定规模后才具有较高的发电效率，而燃料电池的发电效率却与规模无关。（2）发电环境友好发电时不会排放尘埃，二氧化硫，氮氧化物和烃类等火力发电时会排放的污染物。并且氢氧电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此工作时安静，噪音很低。（3）动态响应性好、供电稳定燃料电池发电系统对负载变动的影响速度快，无论处于额定功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行，它都能承受，并且发电效率波动不大，供电稳定性高。（4）自动运行氢氧燃料电池发电系统是全自动运行，机械运动部件很少，维护简单，费用低，适合做偏远地区、环境恶劣以及特殊场合（如空间站和航天飞机）的电源。（5）积木化氢氧燃料电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电站的现场集成，安装，施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，维修方便。（6）燃料来源广泛氢气可由水电解制取，不依赖石油燃料。水取之不尽，而且每kg水可制备1860升氢氧燃气。（7）安全性高氢气分子量为2, 仅为空气的1/14, 因此，氢气泄漏于空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。2、缺点氢气的制备、存储难。四、分类氢氧燃料电池按电池结构和工作方式分为离子膜、培根型和石棉膜三类。 离子膜氢氧燃料电池：用电池放电时,在氧电极处生成水，通过灯芯将水吸出。这种电池在常温下工作、结构紧凑、重量轻,但离子交换膜内阻较大,放电电流密度小。 培根型燃料电池：属碱性电池。这种电池能量利用率较高，但自耗电大，起动和停机需较长的时间（起动需24小时，停机17小时）。 石棉膜燃料电池：也属碱性电池。这种电池的起动时间仅15分钟，并可瞬时停机。 五、电池组组成为维持电池的正常运转，须持续供应氢和氧，及时排除反应产物（水）和废热。电池组由以下几部分组成：氢氧供给分系统：航天器携带的氢和氧采用超临界液态贮存，可缩小贮罐体积，解决失重条件下气、液态的分离问题，但要求贮罐绝热性能好、耐低温、耐高压（氧罐为6兆帕、氢罐为33.5兆帕）。排水分系统：主要有动态排水和静态排水两种方式。前者把带有水蒸气的氢气循环输送到冷却装置，使水蒸气冷凝成水进行分离；后者依靠多孔纤维编织材料（如灯芯）将冷凝后的水吸附出来，又称灯芯排水。电池组排出的水经净化后可供航天员饮用或作冷却剂。排热分系统：电池组通过冷却剂（如乙二醇水溶液）循环，将废热带到辐射器向外排放，以维持电池组正常工作的温度范围。自动控制分系统：包括电池组工作压力、温度、排水与排气、电压、安全和冷却液循环等的控制与调节。所测量的参数传送到航天员座舱的显示器或由遥测设备发回地面。当电池组出现故障时，自动切换到备份电池组供电。 六、制备氢气的方法从长远看以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能量后又生成产物水，不造成环境污染。各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要方法，但其储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。 1.电解水制氢水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在7585。但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为455 5kWh左右。电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳能、水能、风能及海洋能等等，核能、水能和海洋能其资源丰富，能长期利用。（1） 以水为原料的热化学循环分解水制氢方法，避免了水直接热分解所需的高温（4000K以上），且可降低电耗，各阶段反应温度均较低。近年已先后研究开发了20多种热化学循环法，有的已进入中试阶段，我国在该领域基本属空白，应积极赶上。（2） 光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法。光催化过程是指含有催化剂的反应体系，在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。在70年代开始国外有研究报道，我国中科院感光所等单位也开展了研究。该方法具有开发前景，但目前尚处于基础研究阶段。 2.矿物燃料制氢以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气最主要的方法。制得氢气主要作为化工原料，如生产合成氨、合成甲醇等。有时某些含氢气体产物亦作为气体燃料供城市煤气。（1）以煤为原料制取氢气 以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化（或称高温干馏），二是煤的气化。煤的气化是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物。气化剂为水蒸汽或氧气（空气）.气体产物中含有氢气等组份，其含量随不同气化方法而异。气化的目的是制取化工原料或城市煤气。(2）以天然气或轻质油为原料制取氢气该法是在有催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应：CH4+H20CO+H2CO+H20C02+H2CnH2n（2+n）H20nCO+（2n+1）H2反应在800一820C下进行。从上述反应可知，也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组成中，氢气含量可达74（体积）。其生产成本主要取决于原料价格，我国轻质油价格高，制气成本贵，采用受到限制。（3）以重油为原料部份氧化法制取氢气 重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油。重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。气体产物组成：氢气46（体积），一氧化碳46，二氧化碳6。该法生产的氢气产物成本中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故为人们重视。3.生物质制氢生物质资源丰富，是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。（1）生物质气化制氢 将生物质原料如薪柴、锯未、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料气。但氢含量较低，只能作为农村燃料。（2）微生物制氢利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。生物质产氢主要有和光合微生物产氢两种。关于化能营养微生物产氢，目前已有利用碳水化合物发酵制氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源。光合微生物如微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢。你能相信吗？细菌废水清洁能源。近日，美国研究人员制造出一套设备，仅仅利用细菌、淡水、盐水以及醋酸化合物便能持续不断产生氢气。4.其它合氢物质制氢从硫化氢中制取氢气。5.各种化工过程副产氢气的回收 多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气，如能采取适当的措施进行氢气的分离回收，每年可得到数亿立方米的氢气。水电解制氢的能耗远大于用碳氢化合物，但优点是不产生对大气产生温室效应的二氧化碳气体；虽然会产生简单的碳氢化合物（如天然气、甲醇、乙醇等）做制氢原料，虽然会产生二氧化碳，但在制气成本上更经济。七、氢气的储存氢的存储主要有三种方法：高压气态存储、低温液氢存储和储氢材料存储。 1.高压气态存储高压气态存储是最成熟的存储技术，可以存储在地下库里，也可装入钢瓶中。为减小存储体积，必须先将氢气压缩。 图3、气态氢存储瓶 2低温液氢存储将氢气冷却到-2530C即可使其呈液态而存储于高真空的绝热容器中。液氢存储成本较高，安全技术也比较复杂，这种工艺首先用于宇航中。图4、液氢存储装置3.储氢材料存储 利用氢材料进行储氢是近二三十年才发展起来的储氢方法，主要包括金属储氢材料、非金属储氢材料和有机液储氢材料等。图5、氢材料储氢示意图在众多储氢方法中，有望近期工业化的储氢方法之一是无机物储氢。除了这些传统的方法，目前科学家正在积极探索新的储氢方法，例如玻璃微球储氢、高压及液氢复合技术、储氢合金与高压复合技术以及地下岩洞储氢等。八、氢气的运输氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着多种运输方式。氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态都可以使用管道和车辆进行运输。但氢气在运输的过程中仍存在着许多不可忽视的特殊问题，如运输单位能量所占的体积较大、易泄漏、安全性等。九、氢氧电池的应用1、作为宇宙飞船、人造卫星、宇宙空间站等航天系统的能源;2、用于并网发电的高效电站;3、可作为大型厂矿的独立供电系统，也可作为城市工业区、繁华商业区、高层建筑物、边远地区和孤立海岛的小型供电站；4、用于大型通信设备和家庭的备用电源以及交通工具的牵引动力。十、氢氧电池在汽车方面的应用目前世界上从事此类电动汽车开发的有戴姆勒-克莱斯勒公司、雷诺公司、大众公司、福特公司、通用公司、尼桑公司、马自达公司和丰田公司等。1、氢氧电池汽车的优点（1）节能、转换效率高；（2）灵活性大,适应性强,燃料多样化；（3）排放达到零污染；（4）有利于我国汽车产业的发展，通过发展燃料电池电动车技术，缩短与发达国家汽车产业的差距；（5）产出物不需进行净化处理和消声处理，整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理；（6）车辆性能接近内燃机汽车，结构简单和运行平稳。2、储氢技术是发展氢氧电池汽车的关键以氢燃料汽车为例，一辆5人座氢燃料电池驱动的轿车行驶500千米约需4千克氢气，油箱的体积是5060升，因此体积储氢密度必须达到680千克/立方米。美国能源署曾提出单位质量储氢密度达6.5%、单位体积储氢密度达62千克/立方米的最低储氢要求。因此，储氢技术是氢能应用的关键。一旦储氢技术成熟，制约氢能应用的桎梏将被打破，氢能在新能源汽车、新型燃料电池等领域将大有作为。美国南加州大学化学教授特拉维斯威廉姆斯（TravisWilliams）与利用硼烷氨络合物制成了一种无毒化学材料，可以作为一种稳定的固体储存氢气。研究小组还发明了一系列催化系统，保证用户可源源不断的获取氢气。整套设备非常轻便，能效极高，应用范围广，摩托车、汽车、飞机等都能使用。3、我国燃料电池汽车的发展我国在燃料电池汽车方面的研究开展较早，上世纪90年代初，许多科研院所就已经开始研究和示范质子交换膜燃料电池及其在车上的应用。并且，我国已经开始“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”（即氢能 973项目），正在进行“十五”氢能项目和“863”燃料电池汽车重大专项。据浙江日报报道，浙江省第一辆用氢能源驱动的汽车，功率5千瓦、12座，一罐40升的氢气能够让这辆游览车满载跑180公里。 4、外国一些氢燃料电池车的发展奔驰2014年量产氢燃料电池车 称安全无忧丰田氢燃料车拟售34万 预计2015年问世宝马推出世界第一款供日常使用的氢动力豪华高性能轿车BMW氢能7系，不仅是宝马集团，也是整个汽车与能源行业向不依赖矿物燃料的可持续机动化产业时代迈进的一个里程碑十一、结束语 环境生态保护、节能和人类的可持续发展迫切要求清洁能源的开发利用，氢能燃料电池的进展给我们带来了希望，以氢能燃料电池作为车用动力源开发的燃料