化学电源——氢氧燃料电池(原始版).docx

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）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、缺点氢气的生产、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。氢、氧电极都是双层多孔镍电极(内外层孔径不同)，加铂作催化剂。电解质为80%85%的苛性钾溶液，室温下是固体，在电池工作温度(204260C)下为液体。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。氢电极由多孔镍片加铂、钯催化剂制成，氧电极是多孔银极片，两电极夹有含35%苛性钾溶液的石棉膜，再以有槽镍片紧压在两极板上作为集流器,构成气室,封装成单体电池。放电时在氢电极一边生成水,可以用循环氢的办法排出,亦可用静态排水法。这种电池的起动时间仅15分钟，并可瞬时停机。 再生式氢氧燃料电池将电池反应产物（水）通过电解器转变成反应物（氢和氧），再重复使用以产生电能的燃料电池，由燃料电池和电解器两部分组成。可以作为大功率太阳电池阵电源系统的贮能装置。有日照时，太阳电池阵提供电能给航天器负载，还用于将水电解成氢和氧，使部分电能贮存起来。航天器进入阴影区太阳电池不能发电或供电不足时，由这种燃料电池供电。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。 制备氢气的方法 氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少。因此必需将含氢物质力UI后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。因此要开发利用这种理想的清洁能源，必需首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。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。其它各类含氢物质转化制氢的方法目前尚处次要地位，有的正在研究开发，但随着氢能应用范围的扩大，对氢源要求不断增加，也不失为一种提供氢源的方法。 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。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在7585，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。目前水电解的工艺、设备均在不断的改进：对电解反应器电极材料的改进，以往电解质一般采用强碱性电解液，近年开发采用固体高分子离子交换膜为电解质，且此种隔膜又起到电解池阴阳极的隔膜作用；在电解工艺上采用高温高压参数以利反应进行等。但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。我国水力资源丰富，利用水力发电，电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量效率的提高、成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电解制得氢气并用氢作为中间载能体来调节、贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计，但均为小型电解制氢设备，其目的均为制得氢气作原料而非作为能源。对电解反应中电极过程、电极材料等方面课题南开大学、首都师范大学等单位均曾开展研究，随着氢能应用的逐步扩大，水电解制氢方法必将得到发展。 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，受人们的重视小该方法是在水反应系统中加入一中间物，经历不同的反应阶段，最终将水分解为氢和氧，中间物不消耗，各阶段反应温度均较低。如美国通用原子能公司（GA公司）提出的硫一碘热化学制氢循环：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。 光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法。光催化过捏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。用矿物燃料制氢的方法包括含氢气体的制造、气体中CO组份变换反应及氢气提纯等步骤。该方法在我国都具有成熟的工艺，井建有工业生产装置。（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。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在900-1000C制取焦碳，副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60（体积）、甲烷23-27、一氧化碳6-8等。每吨煤可得煤气300一350m3，可作为城市煤气，亦是制取氢气的原料。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。大型工业煤气化炉如鲁奇炉是一种固定床式气化炉，所制得煤气组成为氢37-39（体积）、一氧化碳17-18、二氧化碳32、甲烷8-10。我国拥有大型鲁奇炉，每台炉产气量可达100000m3/h，另一种新型炉型为气流床煤气化炉，称德士古煤气化炉，用水煤浆为原料，我国在60年代就开始研究开发，目前已建有工业生产装置生产合成氨、合成甲醇原料气，其煤气组成为氢气35-36（体积）、一氧化碳44-51、二氧化碳13-18、甲烷0.1。甲烷含量低为其特点。我国有大批中小型合成氨厂，均以煤为原料，气化后制得含氢煤气作为合成氨的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用OGI固定床式气化炉，可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小，操作容易，其气体产物组成主要是氢及一氧化碳，其中氢气可达60以上，经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法，其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化技术具有煤资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力等开发并完善了“长通道、大断面、两阶段地下煤气化”生产水煤气的新工艺，煤气中氢气含量达50以上，在唐山刘庄矿已进行工业性试运转，可日产水煤气5万m3如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气，该法在我国具有一定开发前景。(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+H2CnH2n2+nH20nCO+（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。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作、并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺，制取小型合成氨厂的原料，这种方法不必采用高温合金转化炉，装置投资成本低。（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。我国建有大型重油部份氧化法制氢装置，用于制取合成氨的原料。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。我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果，中科院广州能源所多年来进行了生物质气化的研究，其气化产物中氢气约占10左右，热值达11MJm3，可作为农村燃料，但氢含量仍较低。在国外，由于转化技术的提高，生物质气化已能大规模生产水煤气，其氢气含量大大提高。（2）微生物制氢 微生物制氢技术亦受人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。生物质产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。属于化能营养微生物的是各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌）发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。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。90年代初中科院微生物所、浙江农业大学等单位曾进行“产氢紫色非硫光合细菌的分离与筛选研究”及“固定化光合细菌处理废水过程产氢研究”等，取得一定结果。在国外已设计了一种应用光合作用细菌产氢的优化生物反应器，其规模将达日产氢2800m3。该法采用各种工业和生活有机废水及农副产品的废料为基质，进行光合细菌连续培养，在产氢的同时可净化废水并获单细胞蛋白，一举三得，很有发展前途。4.其它合氢物质制氢 国外曾研究从硫化氢中制取氢气。我国有丰富的H25资源，如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H多含量高达90以上，其储量达数千万吨，是一种宝贵资源，从硫化氢中制取氢有各种方法，我国在90年代开展了多方面的研究，如石油大学进行了“间接电解法双反应系统制取氢气与硫磺的研究取得进展，正进行扩大试验。中科院感光所等单位进行了“多相光催化分解硫化氢的研究”及“微波等离子体分解硫化氢制氢的研究”等。各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源、提供清洁能源及化工原料奠定基础。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。这是一项不容忽视的资源，应设法加以回收利用。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。细菌如何完成分解废水产生氢气的使命？以这套设备为代表的微生物电解池技术能够承担治污与产能两大重任吗？微生物电解池技术在走进人们生活的道路上还会遇到哪些阻碍？记者就此采访了专家。借助电势差细菌产氢大显身手辽宁日报：郭教授，您好！将含有机化合物的污水变废为宝，让微生物替人类同时解决能源与环保两大问题是许多人美好的愿望，也是多年来科学家们努力探索的课题。如今，美国一个研究小组开发的利用细菌制造氢气的装备，再次拉近了愿望与现实之间的距离。您能为我们介绍一下这种装置的结构是什么样吗？郭荣波：好的。美国研究人员开发的这种装置主要包括两个部分：一侧存放有细菌和它们的食物醋酸化合物的阳极池，而另一侧是氢气生成的阴极池，而两池之间则是由5个组合腔室构成的模块，用来循环盐水和淡水，盐水和淡水之间的电势差可以产生电压，从而提供能量帮助电池产氢。这个设备其实是一个微生物电解池，它由池体、阳极、阴极、外电路及电源组成。电解池的阳极是颗粒状的石墨，阴极是带有铂催化剂的石炭。电解池阳极上有一层由产电细菌聚集形成的生物膜，细菌在代谢过程中，电子从细胞内转移到了细胞外的阳极，然后通过外电路在电源提供的电势差作用下到达阴极。在阴极，电子和质子结合就产生了氢气。辽宁日报：细菌吃掉醋酸化合物分解后得到氢元素比较容易理解，那么另一个“房间”里的盐水是用来做什么的呢？郭荣波：要想利用这个设备把有机物中的化学能转化为氢能，即产生氢气，不仅需要为细菌提供食物，而且还需要对经细菌处理过的含有氢离子的液体施加一定的外加电压。通常只有当外界电压超过0.2伏时，氢气才能生成，两者缺一不可。由于盐水和淡水之间含盐量存在差别 （如自然界广泛存在的海水中含有的电离子是淡水的60至100倍），这种天然的电离子势差正好可以为微生物燃料电池提供外加电压。这一系统的研究人员介绍，这些组合腔室能够产生0.5到0.6伏特的电压，大于我们刚才提到的0.2伏外加电压最低要求，于是在无需外部能量的情况下，这一系统源源不断地开始生产氢气。辽宁日报：自然界的细菌分为很多的种群，那么哪一类的细菌“特种兵”能够完成分解有机物产生氢气的使命呢？郭荣波：确实，不是所有的细菌都能胜任此项任务，只有一部分厌氧型细菌，才有这样的功能。它们既可以是单纯的菌种又可以是微生物群落。这一类细菌广泛存在于江河和海底的沉积污泥中，如希瓦氏菌、地杆菌、克雷伯氏杆菌等。辽宁日报：任何生物都逃脱不了寿终正寝的自然规律。如果设备中的细菌消亡殆尽呢？郭荣波：这种细菌可以无限繁殖和再生，它们能在食物充足的“安乐窝”中子子孙孙无穷尽地生活下去。因此，不存在寿命问题。辽宁日报：这些细菌可以适应各种不同的自然环境持续生产氢气吗？在那些十分寒冷的地区它们会“罢工”吗？郭荣波：一般来说，这类细菌可以适应各种不同的自然环境，但天气寒冷地区细菌的活性会受到影响，其产氢的速率会降低。将来我们可以通过开发生物反应器，保证其在恒定的温度条件下继续工作。各种废水来者不拒微生物电解池效率高辽宁日报：设备中的醋酸化合物是细菌的食物，这种化合物价格昂贵吗？郭荣波：其实，醋酸化合物只是一种可降解有机物的代表，在将来的实际应用中，可以利用废水中的可降解有机物代替醋酸化合物作为细菌的食物。另一方面，醋酸本身价格并不昂贵,可以由葡萄糖或者纤维素发酵产生。随着微生物能技术的发展，将能源植物身上广泛存在的纤维素转化为细菌的食物也是不难达到的。辽宁日报：哪一类的废水可以代替醋酸化合物作为细菌的“粮仓”呢？郭荣波：一般可以利用的废水主要是含有可生物降解的有机物的废水，如生活废水、食品加工厂废水、发酵工业废水等。所以，人们可以把这些反应装置安装在食品加工厂或农场附近，利用排出的废水或纤维素生产氢气。辽宁日报：这种微生物电解池处理废水会产生其他的化学副产物吗？郭荣波：由它“经手”处理的废水可以说是干干净净。这种干净不仅表现在废水中的有机物基本上都降解成二氧化碳（可被收集利用）和氢气人们不必再为进行废气处理而担心，而且还表现为这种处理方式不产生其他副产物。辽宁日报：如此说来，高超的处理废水“技艺”是这个设备的一大特点。那么，微生物电解池技术的产氢能力会不会在处理废水能力面前略显逊色呢？郭荣波：不会。微生物电解池在产能方面也是表现优异的。比如，通过传统的电解水技术生产氢能，需要依赖于太阳能、风能、核能等发电来实现。新的技术可以直接使用纤维素和其它可降解有机物生产氢能。因为细菌在电解过程中作了大量工作，包括将有机物分解为亚原子微粒，这使得外来电子很容易地就可以将释放的微粒重新组合形成氢气。微生物电解池工作过程中产生的氢能是消耗的电能的2.88倍，而传统的电解水制氢方法产能效率只有此过程的50%到70%。此外，如果扩大范围将这种制氢方式与同样作为生物能源的纤维素制乙醇工艺相比较，微生物电解池技术可以说是抢占了利用能源植物中的纤维素的先机。有的科学家提出，现在就可以将用纤维素等可再生能源生产的氢气与天然气混合，用在以天然气为燃料的车辆上。现在已经有大量的天然气汽车投入使用。天然气中主要是甲烷，甲烷的燃烧非常清洁，如果在其中掺入氢气，燃烧会更加充分，并且混合气体能够优化现有的天然气车辆的性能。实现环保同时生产能源这是一个新思路辽宁日报：微生物电解池技术还有其他方面的应用吗？郭荣波：微生物电解池还可用来生产化肥。目前我们使用的化肥大都是在工厂中生产出来之后才运输到各个农场中去的，这个过程中浪费了许多的人力与物力。如果因地制宜，在规模比较大的农场中，将自产植物的纤维素生产出来的氢气与空气中唾手可得的氮气进行加工生产氨和硝酸，就能制备硝酸铵、硫酸盐和磷酸盐等肥料。辽宁日报：美国科学家设计的这种装置未来可以开发为便携式能源直接供用户使用吗？比如将其制成车载电池一样大小？郭荣波：仅就美国科学家设计的这种设备而言，它需要利用持续供应的淡水和盐水产生电势差，为电解池提供电压，因此很难将其作为移动式车载电池。这个技术还是比较适合应用在沿海地区，尤其是江河入海口。然而对于整个微生物电解池技术而言，只要使用其他能源帮助氢原子完成“结合”，就能够持续不断地生产氢气。因此车载电池或家庭能源设备这一类的应用开发还是很有前景的。辽宁日报：您觉得这种技术走进我们生活会遇到哪些挑战？郭荣波：这是个非常有发展潜力的技术，但在它的发展道路上还存在两个障碍：一是，这个技术目前还处于发展初期，其运行稳定性和可靠性还需要深入研究；二是，目前的建造成本仍然很高，电解池使用的铂电极非常昂贵，虽然目前一些可作为铂电极替代品的低廉阴极材料（如镍合金、钼合金等）正在被逐渐开发，但是效率还有待提高。总之，微生物电解池技术为我们提供了一个把环境保护和能源生产结合在一起的新思路，既具环保效益，又可产生能源，同时不消耗任何的额外能源，它为我们提供一个单纯的可再生能源供应体系。美国研究人员制造的微生物电解池可持续产生清洁氢气。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。氢气的储存氢在一般条件下是以气态形式存在的，所占体积较大，这便给氢的存储带来了一定的困难。对于以氢为能源载体的氢经济来说，氢存储问题涉及到氢生产、运输、最终应用等所有环节。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。 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。一般一个充气压力为20mp的高压钢瓶中储氢重量占1.6%，供太空用的钛瓶氢重量也仅为5%。因此，降低存储瓶的重量与体积，改进材料，以及提高抗撞击能力和安全性能是此类存储技术的研究重点。 图3、气态氢存储瓶 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。液氢存储工艺首先用于宇航中，其存储成本较高，安全技术也比较复杂，高度绝热的贮氢容器是研究的重点目标。图4、液氢存储装置 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。金属储氢材料主要以钛系AB型合金和镁系A2B型合金为研究重点，其原理是使氢原子进入金属价键结构，形成氢化物，使用时对氢化物加以特定条件（如加热）后将氢释放出来。非金属储氢材料中以碳纳米管最被看好，其原理主要利用吸附理论的物理储氢方法。利用甲基环己烷作氢载体储氢是有机液态储氢材料的研究热点，其最大特点就是储氢量大、设备简单。其中金属储氢材料的规模化应用是近期的发展目标，而碳纳米材料储氢则需要更长远的规划。图5、氢材料储氢示意图 对于氢经济来说，低价、轻型氢存储设备是消费者方便获取氢的关键。便携式的存储器可以供手提通信设备和计算机使用，中小型氢存储器可供车辆使用，而工业化的存储设备则可供加氢站使用。利用氢材料存储氢能的方法将是未来氢经济发展重要保障。 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。氢虽然有着较好的可运输性，但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。关于氢能的二十个误解-误解七：我们无法在车上既安全又经济地储藏氢气像昆腾(Quantum，通用公司拥有部分股权)和丁泰克（Dynetek）这样一些公司，现在出售的纤维缠绕碳纤维箱已经用镀铝聚脂囊作为衬垫代替传统固体金属衬垫。（重量减少一半，材料成本降低三分之一）。此种碳纤维箱的性能比铝制或钢制箱好9至13倍，且不会腐蚀，特别牢固、安全，在像压扁汽车，挤破油箱这样的压力下能够安然无恙。此种车也无须配备车在高压氢燃料管，因为在氢燃料被输送到燃料箱之前已经被调节到适合燃料电池的低压。这种采用类似航天技术的燃料箱的工作压力可高达10,000磅/平方英寸(690巴)，测试压在24,000磅/平方英寸（1656巴）以上，它们已由通用公司和其它公司在燃料汽车上进行过测试，并已在德国得到合法批准。美国已经批准了5,000磅/平方英寸（345巴）的氢能燃料箱，预计很快也会步其后尘。最近，德国林德股份公司为亚当欧宝股份公司安装了一个压力700巴的燃料补充站。 此种碳纤维箱可大规模生产，只要花几百美元的成本，就能总体上保持按重量含氢约11-19，具体保持量需视其压力和安全系数而定，一个345巴的氢燃料箱（低热值和300开时2.7MJ/C）的体积是含有同等能量的汽油燃料箱的10倍。但是，燃料电池2-3倍的效能优势，即每英里所消耗的能量更少，使氢能燃料箱的体积减少到汽油燃料箱3.2倍到4.8倍左右?如精简了汽车的重量和体积后（如触媒转换器），氢能燃料箱的体积甚至会更少。 如果将氢能燃料汽车设计成只需消耗目前汽车三分之二功率驱动，而行驶同样的距离情况下只会消耗三分之二的氢能燃料?那么燃料箱的体积还可进一步缩减到之比汽油箱稍大一点的体积?但是它的重量会轻的多。所以，这就要求大大降低氢能燃料汽车的气动阻力、滚动阻力（能量消耗在于轮胎和道路产生的热量），特别是在减轻重量方面。氢能燃料汽车的重量可减去一半，但仍能保持优良的防撞安全性，即使与重型金属车相撞时也一样，因为它们是用碳纤维复合材料制成。这些航空材料可吸收高达钢铁承受撞击量的5倍，如用2倍有效成型时间，外形可以生产的得更加光滑。 碳纤维赛车系手工制造很昂贵，但有一项即将注册专利的制造工艺75可望提供（每年10,000到100,000辆汽车）产量。2000年，它的开发商超级汽车（Hypercar）公司?一家技术开发公司，1999年从洛矶山研究所（Rocky Mountain Institute）分拆上市，为了商业化超轻型、高功效的汽车技术?设计了一种名之为Revolution（见补充报道）的超轻型概念车，以展示这种超轻车身和高度整合的设计。此概念型运动多用途车具有Lexns RX300的尺寸、安全性、舒适性和性能，具有5倍的功效?相当于99英里/加仑的标准76。详细的生产成本分析表明，此种概念车可以相当具有竞争力的成本每年以中等产量（25万辆/年）生产，并且与当今市场上较为高级的车辆的一拼高下。氢能利用现状在基础建设方面, 在2005年全球新增氢能燃料站30个( 图2) , 其中大部分位于美国加州, 在该州的加州燃料电池同业会(CaFCP)及南海岸空气质量管理区(AQMD) 已经投放90多辆由燃料电池驱动的公共汽车等。预计两年内, 这个数字将达到300, 而由市长施瓦辛格倡导的“氢能高速公路网”计划将使燃料补给站达到50个。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。宗申。对于氢氧电池汽车的优点一是节能、转换效率高；二是灵活性大,适应性强,燃料多样化；三是排放达到零污染；四是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；五是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；六是车辆性能接近内燃机汽车，结构简单和运行平稳。对于中国的汽车厂家来说，没有什么比掌握发动机技术更为重要的事情了。就在国内汽车工业一方面积极消化和吸收国外先进的汽油发动机生产技术，一方面斥巨资研发新能源发动机之时，一封由26位国内外传统发动机专家联名提交国务院的质疑“氢能源”技术前景的信近日曝光。建议信文字不多：中国是能源消费大国，而油气资源并不丰富。2005年中国进口石油已占42.9%。对进口石油的依赖性使中国经济发展和国家安全受到很大制约。为尽快减少对进口石油的依赖性，应针对性地开发车用动力技术。为此，我们首先对国内在车用动力技术开发方面所存在的一些问题，即“求远水来解近渴”、“先挖好渠再找水源或等水来”等情况和它的根源进行了分析。然后，提出通过技术开发尽快减轻交通能源压力的建议。目前，对“氢能源”的误解带来认识的偏差，从而影响解决交通能源问题的政策。能源是人们可从自然界取得能量的来源，自然界并不存在着大量的氢气，因此氢气不是能源，更不是新能源。产生氢气需要通过能量转换，这样氢气可用作能量的载体。“氢能源”的口号使很多人误以为使用氢气就能解决交通能源问题，很自然地认定应集中力量全面开发氢气汽车。这种误解会影响政府和企业解决交通能源问题的决策。如同一颗重磅炸弹，这封信在学术界和汽车界引起了轩然大波，一场激烈的辩论也就此展开。 专家上书 氢燃料前景不可预测 2007年3月,一封开发车用动力技术、尽快减轻交通能源压力的建议(下称建议)由专家组写成并联合签名,送至相关部门。“氢燃料电池汽车未来的前景,还存在很多不可预测的因素。如果氢燃料汽车研究到最后,发现需要走别的技术途径,这就使大规模投资的氢燃料汽车前功尽弃。”26名专家提醒，如果中国盲目跟从部分跨国公司的步伐，将大量的财力、人力、物力完全“押宝”在氢能源汽车的研发上,很可能给作为支柱产业的中国汽车工业带来巨大的伤害。 “支持这封信的远远不止这26人。”一位不愿意透露姓名的专家表示,“863计划的实施,把公众的注意力都集中到了氢燃料等新能源汽车上，政府部门的导向给很多汽车企业带来了压力和动力，很多企业不顾自己的实力而一味追求新能源是很危险的。” 氢燃料电池研究开始于美国。2005年4月,通用汽车公司和戴姆勒-克莱斯勒公司分别与美国能源部签署合约，在未来5年内开发氢燃料电池动力汽车。一时间关于“氢能源”的概念铺天盖地，“氢能源”的口号同时也漂洋过海来到中国。 按照这些专家的说法，所谓的“氢能源”实际上是用其它能源将海水转换成氢气，再用氢气作为燃料通过燃料电池转换为动力，这个过程中并不“溢出”任何“能”，“氢能源”实际是“氢燃料”。 加上现在的燃料电池成本太高不能大量生产，蓄电池的容量太小难以长途行驶。如果这些长期不能克服的技术难关最终未能攻克，那么即使在100年以后燃料电池汽车或电动汽车也不能成为汽车的主流。 该专家解释,之所以用“氢能源”的口号代替“氢燃料”,关键在于这一概念能使很多人误以为使用氢气就能解决交通能源问题，于是无论打着“氢能源”旗号做什么事，要多少研发资源，花费高达数十亿的资金都是应当的事。 回应质疑 反对发展氢燃料没道理 863计划“节能与新能源汽车项目”总体专家组成员、同济大学汽车学院院长余卓平理解26位专家的担心，但认为把这种担心作为反对发展氢燃料电池汽车的理由没有道理。研发氢燃料电池汽车是有风险的，因为这只是对未来的一个预测。但如果不跟上这个国际趋势，那么10年后当它成为主流时，中国汽车工业就要开始又一轮技术引进，而那时的费用将远远大于目前研发氢燃料电池汽车的费用。 余卓平表示,中国启动氢燃料电池汽车研发后，国内业界有一些争议，但它的发动机效率很高，而且氢来源多元化，国际汽车业界已经将氢燃料电池汽车作为未来最终解决方案，目前仍然没有发生变化。2001年，国内开始启动燃料电池汽车研发时已经比国际上晚了10年。当时，国际上对于氢燃料电池汽车实现产业化的预期是2050年，现在大幅提前到了2015-2020年。留给中国企业的时间并不多。 吉利汽车有关人士也表示,未来30-50年,替代能源将得到大发展。目前研发的甲醇、乙醇以及各种生物燃料由于种种原因只能作为一种补充，只有氢燃料可能成为理想的替代能源。 从国际上氢能源发展的技术路线看，大致有两种方式：宝马公司采取的是将氢气液化后直接喷入发动机进行燃烧的方式，成本较高；中国采取的是燃料电池为主、蓄电池为辅的“电电混合”的动力系统，特点是成本低、效率高以及寿命长。一些开始采用单一燃料电池驱动技术的跨国公司目前也在采用这种“电电混合”驱动技术。 目前来看,氢燃料电池汽车的发展还面临一些困难，比如燃料电池使用寿命、如何有效降低成本以及氢源及其储运基础设施建设问题。部长观点 新能源汽车是发展方向 2008年3月13日，科技部部长万钢针对26位专家联名“上书”，希望慎重对待新能源汽车投入一事，发表了看法。 万钢说：“从今年的国际车展看，无论是北美车展，还是最近的日内瓦车展，燃料电池汽车都是一大热点，是世界汽车界公认的尖端汽车技术。对此，我们国家也要做好充分的准备工作。从时间上看，我们要有近期计划和中期、远期的规划。” 在科技部的“十一五”规划中，关于汽车有两个专项课题，一个是节能与新能源汽车，一个是汽车先进技术。节能与新能源汽车的专项研究，主要是按照混合动力汽车、燃气汽车、燃料电池汽车这样的序列进行动力系统的攻关。万钢说：“在汽车先进技术转向的研究方面，我们首要是对传统发动机进行优化、改造，开发轻质车身，研究更安全的汽车技术等。在混合动力汽车方面我们的投入是最大的，经过7、8年的努力，混合动力汽车在全国很多省市已经进行入了市场运行阶段，纯电动汽车已经开始出口，燃料电池汽车也已经达到了与国际同步的水平。” 万钢认为，汽车企业发展除了要考虑经济效益，更重要的是，所有的汽车制造商都有义务减少排放、节约能源。在能源价格越来越高、节能减排压力越来越大时，新能源汽车将是我国汽车工业的发展方向，也是全球汽车工业努力的方向。 国内企业氢能源汽车成果 目前,中国氢燃料电池汽车的研发呈现一南一北分布格局。南方的研发重镇在上海,2002年年初,同济大学、上汽集团联合承担了燃料电池轿车项目，它们联合上海工业投资集团有限公司、上海科技投资公司等投资组建了上海燃料电池动力系统有限公司。该公司已经开发出了三代“超越”系列燃料电池轿车动力系统平台和示范样车。上汽还把该系统搭载在“荣威”轿车上诞生了“上海”牌氢燃料电池汽车。另外,奇瑞公司也与同济大学合作研发氢燃料电池汽车。“超越”系列燃料电池轿车的性能得到了一些国际赛事的承认。今年北京奥运会期间,将有20辆同济大学和上海汽车、上海大众共同开发的第四代燃料电池轿车在奥运会上亮相。 在北方,清华大学牵头承担了863计划“电动汽车重大科技专项”中的“燃料电池城市客车”项目，其产业化载体北京清能华通科技发展有限公司也研发出了燃料电池城市客车。 而上述成果在很大程度上依赖于一些中国企业已在关键的发动机技术上取得的突破。比如，上海神力科技有限公司、中科院大连化学物理研究所等企业研发的氢燃料发动机已接近或达到国际水平。 国内氢燃料电池汽车的技术与国际先进水平的主要差距在可靠性方面。比如，燃料电池的使用寿命，国际先进水平已经达到了实验测试1.2万小时，目前国内最高水平为4000小时，且仍在继续实测累计中。一、引言 能源和资源是人类赖以生存和发展的源泉。随着社会经济的发展，已有的能源和资源正在以越来越快的速度消耗，面对着化石燃料能源枯竭的严重挑战，近年来世界各国纷纷把科技力量和资金转向新能源的开发。在新的能源领域中，洁净无污染的氢能利用技术正在以惊人的速度发展，已引起工业界的热切关注。1.2氢能的利用 氢能在宇航研究中具有广阔的应用前景，如火箭发动机、氢内燃机等。在民用工业领域，燃料电池近年来发展迅速。 燃料电池（Fuel Cell，FC）技术的最新发展及其诱人的前景，使全世界都看到氢作为能源的可行性和必然性。3.1研究背景及重要意义 空气污染是现今中国许多城市在环境保护中困扰的主要问题，随着国民经济的发展和人民生活质量的提高，城市汽车数量迅速增加，使汽车排放尾气对空气污染的严重性，正日益受到关注和重视。因此，无污染气体排放的“零排放”电动汽车成为解决环保和能源短缺等问题的发展方向，而以氢气、空气为原料经过电化学反应产生电能的质子膜燃料电池（PE M FC）汽车成为各国科学家的研究热点。 氢能燃料电池汽车的发展，不仅在环境保护、生态平衡及人民身体素质的提高等方面具有重要意义，且为我国的汽车工业发展提供了一个难得的机遇。由于燃料电池电动汽车的发展，世界汽车厂家将重排名次，我国就可以正好在空白的基础上建设能满足燃料电池汽车使用要求的氢燃料供应和加注设施，不会为淘汰原有的老设施而造成巨大浪费，从而在新技术的基础上努力追赶。3.2国内外燃料电池汽车的技术进展3.2.l国外燃料电池汽车的发展情况 近年燃料电池汽车的开发进展之大和商业化步伐之快确是有目共睹的，世界上主要汽车制造厂家及燃料电池公司几乎无不卷入这场竞争中，发展之迅速，竞争之激烈，为世人瞩目。加拿大巴拉德公司（Ballard），戴姆勒一奔驰公司（DaimlerBenz）及美国福特公司较早加入了PE M FC汽车开发研制的队伍，由它们联合组建的合资公司DBB燃料电池发动机公司，计划2005年向市场推出510万辆质子膜燃料电池动力汽车。 2002年1月，美国政府与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司联合制定了名为“给汽车自由”的新计划，加强资助有关汽车用燃料电池特别是氢燃料电池的研究开发。2003年，由D/C公司制造的3辆燃料电池公交车，在地处北极圈的冰岛投入实际使用示范运营。前不久，美国通用汽车公司推出的5辆Hydrogen3型燃料电池汽车，首次采用碳纤维复合材料制成的储罐高压储存气态氢，可实现汽车连续行驶400km。 可见，燃料电池汽车技术在美、日、欧等发达国家和地区兴起，构建了这种汽车的广阔消费市场。但从燃料电池汽车的本质而言，发展中国家和地区对此也有强劲的需求，例如中国，就是推广应用燃料电池汽车比较理想的场所之一。3.2.2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PEMFC及其在车上的应用。据不完全统计，到目前为止，我国已经自行设计、制造、实验了7辆不同型号的燃料电池样车。目前，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。 从人类可持续发展的角度出发，我国政府非常重视和支持燃料电池汽车技术的研究和开发。科技部从2001年开始组织实施以燃料电池汽车为重要内容的“电动汽车重大科技专项”，作为12个国家重大科技专项之一，国家投人近9亿元。2002年1月中国科学院在大连宣布启动科技创新战略行动计划重大项目大功率PEMFC发动机及氢源技术，负责研制的燃料电池发动机可能会装备2008年北京奥运会绿色环保车队。2003年3月，由中国政府、全球环境基金（GEF）和联合国计划开发署（UNDP）共同出资的“中国燃料电池公共汽车商业化示范”项目正式启动实施，采用全球招标方式购置12辆燃料电池公共汽车，在北京和上海示范运行，预计运行160万公里。 此外，国际氢能协会将于2003年10月在北京召开第M届国际氢能高层论坛，届时各国科学家将深人讨论氢能的利用，不仅切磋技术而且从氢能发展战略、政策、经济、标准、安全等全方位促进燃料车的商业化，推动氢能发展。四、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电池汽车表现出广阔的发展前景和强劲的发展势头。 在世界先进技术逐步崭露头角的同时，我国也及时抓住机遇，搭上了FC发展的飞速快车，并一步步缩小着我国汽车工业与世界强国的差距。北京的申奥成功，及之后上海的申博成功，为我国燃料电动轿车项目的开发带来了一股强劲的东风。“能源”、“汽车”、“环保”，我们的目标是“多赢”。十六大提出的“全面建设小康社会”的目标，无疑包含了对我国汽车工业发展的要求，而“清洁汽车”所扮演的角色就是这“重中之重”。这就需要政府官员和所有致力于该领域的人士共同努力，最终迎接人类氢能时代的到来。全球氢能产业市场化步伐正在加速。截至2010年年底，全球加氢站总数已达212座，今年年内又有127座加氢站在建，加氢站的建设正逐步向网络化方向发展。宝马、通用、丰田等全球主要汽车商，都已提前作好技术储备。德国、美国、日本等国都开始实施氢能产业化未来规划，重点发展氢燃料电池车和公路加氢站。在各国政府的扶持和汽车产业的推动下，氢能产业化的两大瓶颈问题加气站和燃料电池汽车，正逐渐被打破。有关专家分析，氢燃料电池技术的产业化之所以在本世纪初进展不大，主要是受燃料电池成本较高、氢燃料电池车技术还需完善及政府鼓励政策尚不明朗的制约。不过，最近几年，各国政府和汽车生产商开始看好氢能。美国能源部的报告称，以燃料电池(氢燃料电池车和发电装置等)为核心的清洁利用方式，正在成为氢能市场新的增长点。美国工程院最近预计，氢燃料电池车将在2015年批量进入发达国家市场，并在1520年之内，取代现有燃油车及混合动力车，占据全球汽车市场主导地位。美国，日本，德国等国家都再加快氢燃料电池的研究来的能源结构中，以氢能为代表的一批新能源将占据越来越重要的地位。作为储能领域的重要技术之一，储氢是氢能应用必须攻克的关键节点。专家预言，储氢技术一旦成熟，不仅将改变目前的能源结构，还将带动一批新材料产业的崛起，并为二氧化碳制备甲醇等新型合成路线提供强有力的支持。氢能利用关键在储氢2006年11月13日，国际氢能界的主要科学家向八国集团领导人提交了氢能百年备忘录。在备忘录中，科学家们指出，21世纪初叶人类正面临气候变化和传统石化能源日益紧张的两大危机，解决上述危机的方案中，氢能利用最优。但氢能的应用必须攻克储氢这一关。清华大学教授、国内著名氢能专家毛宗强认为，石化时代之后，氢只能来自于水，而离解水的一次能源则非可再生能源莫属。太阳能发电、电解水制氢将是未来最可靠的氢气来源，但是由于储氢涉及材料多孔界面微区的传热、传质，以及氢分子、氢原子的动态激发及其能级迁跃等，情况较为复杂。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