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    氫燃料電池的制氫技術與儲氫系統研究

    發布日期: 2021-01-04
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    氫燃料電池是一種可以更高效地將化學能轉化為電能的清潔裝置。文章介紹了近年來氫燃料電池汽車動力系統的研究進展,氫燃料電池的制氫技術及儲氫系統。隨著我國近年來對環境與能源問題的關注,氫燃料電池的制氫技術及儲氫系統具有更為廣闊的研究前景。 

    0 引言 

    我國汽車產業從2010年起呈現快速增長的趨勢,使得汽車工業迅猛發展。然而,汽車在為我們的生活、生產提供便利的同時,也給人們的生存及環境帶來了嚴重威脅。 碳氧化合物、硫氧化合物及氮氧化合物等造成的大氣污染以及能源危機日益成為亟待解決的問題,環境保護成為了qiu球面臨的嚴峻挑戰,這就要求我們要減少“碳足跡”,汽車工業未來的發展趨勢是節能減排,大力發展新能源汽車。

     

    氫能汽車是一種典型的新能源汽車,其以氫為主要能量。一般內燃機通常采用注入柴油或汽油的方法,而氫能汽車則改為采用H2。氫燃料電池則是用燃料電池和電動車取代了一般的引擎。氫燃料電池借助電化學反應將燃料(H2和O2)直接轉變成電能的一種原電池,該過程不涉及熱機做功和燃燒,不受卡諾循環的限制,轉化效率高。

    然而氫能汽車離真正的市場化運行還有很長的一段路,主要有以下幾個挑戰:一是高昂的燃料電池系統的成本問題,其關鍵零部件如空壓機、增濕器的批量生產,電堆成本如催化劑、膜和雙極版的成本等;二是較高的儲氫系統成本;三是較高的制氫成本;四是高昂的加氫站成本,其關鍵零部件如氫氣壓縮機和加氫機大部分是通過進口的,如何實現國產化也是個重要的課題。 

    1 氫燃料電池汽車動力系統的研究進展

    1.1 國內氫燃料電池汽車動力系統的研究進展

    目前國內只有少數幾所高校進行氫能汽車的自主研發和校企合作,尤以清華大學和武漢理工大學wei突出,如清華大學在863項目中研制出“氫能系列”PEMFC公交車,武漢理工大學研制出了“楚天系列”FCEV。

    上海汽車的榮威850插電式氫燃料電池轎車搭載了兩個700bar氫氣瓶,放在后排,其H2儲量可達到4.34kg,大續航里程為400km,可實現純電動模式和氫能源模式,其中純電動模式僅為應急,多只能行駛30km,當兩者共同工作時可以續航400km。

    此外,國內還有一些公司對氫能汽車進行了研究,但都處于研發及示范考核階段,想要盡快大規模市場化還需要進一步的技術研究。我國的氫能產業基礎設施技術發展路線見表1所示。

     

    表1 我國氫能產業基礎設施技術發展路線

    1.2 國外氫燃料電池汽車動力系統的研究進展

    梅賽德斯汽車集團的B級燃料電池汽車F-CELL是全qiu首ge能夠實現量產,其實現了真正的*,gao輸出功率100kW,gao車速可到 170km/h,280Nm的強勁扭矩確保了起步、加速具有更快的感覺。其核心技術主要包括三個部分:一個小型氫氧燃料電池堆,一個位于車輛前軸的輕量化的驅動電機,三個700Bar高壓儲氫罐及高效鋰離子電池。該技術動力系統輸出功率比上一代驅動系統增加30%,燃料消耗降低30%,體積縮小約40%。

    本田汽車公司在2009年推出了新一代燃料電池汽車FCX Clarity,其采用垂直單元結構的燃料電池堆。在垂直單元結構的燃料電池堆中,H2、O2及生成的水是垂直流動的,這種結構有利于水氣快速往上排出,加快H2和O2的迅速結合,從而產生更大的電能。這一技術實現了燃料電池堆的輕量化、小型化。

    從全qiu范圍看,日本、韓國在燃料電池汽車的研發處于全qiu領xian水平,典型代表為豐田、現代汽車公司,其在燃料電池汽車的成本、壽命等方面逐步超越了美國和歐洲。

    2 氫燃料電池的制氫技術

    H2的制備是氫燃料電池商業化的基礎,目前工業成熟的H2生產技術主要有:水電解法、天然氣-水蒸氣重置法、重油汽化及烴類部分氧化。85%的H2生產來源于化石燃料,其中采用天然氣-水蒸氣重置法制備 H2更是占到了H2生產市場的半數以上,盡管如此,氫燃料電池高純氫成本仍然較高。 

    2.1 水電解法

    水電解法制氫的產量約占世界H2總產量的4%,目前水電解法主要有三種:堿性電解水法、固體聚合物電解水法及高溫固體氧化物電解水法。工業上大規模的水電解法制氫基本采用堿性電解水制氫,該法工藝簡單,易于操作。

    堿性電解水法的裝置由多個電解池單體構成,每個單體由陽極、隔膜、陰極、電解液組成。在直流電作用下,水被電解成H2和O2。此法工藝簡單,便于操作,但電能能耗大,每立方米H2消耗電能約4.5~5.5kW·h,電費成本占制氫成本的80%左右。由于堿性電解水技術較為成熟,目前的研究方向主要在制氫設備的研發上,但能耗大、成本高的關鍵性問題仍沒有得到解決。

    2.2 天然氣水蒸氣重整法

    主要原料是化石能源(如煤、天然氣、石油)與水蒸氣在高溫下進行轉化反應。其中,煤氣化制氫法是指煤與水蒸氣在一定溫度、壓力等條件下轉化為煤氣的過程。煤炭氣化得到的是H2和CO的混合物,通過將CO分離提純處理后得到一定純度的H2。實際操作中采用多床變壓吸附,得到的H2純度達到99.95%。

    2.3 部分氧化

    烴類部分氧化法包括高碳烴類非催化部分氧化和天然氣ATR。前者是利用烴類在高溫下和O2的反應,形成COX、H2和部分積碳、煤灰的過程。

    天然氣ATR是一個勻相燃燒和多相催化相結合的工藝過程。天然氣、水蒸氣及氧氣在天然氣ATR反應器中發生燃燒反應。余下的烴類燃料在催化劑的催化作用下,于燃燒反應器出口處發生SR反應。天然氣ATR工藝不積碳,可制備出較理想的H2/CO合成氣,所以在大規模合成氣生產中主要采用天然氣ATR技術。

    3 儲氫系統 

    氫燃料電池汽車經過多年的發展,取得了巨大的進展,但是儲氫系統一直是氫燃料電池汽車商業化的主要技術障礙。常見的儲氫技術主要包括高壓儲氫法、低溫液化儲氫法、物理吸附儲氫法和金屬材料儲氫法等。

    美國能源部對車載儲氫系統儲氫質量密度和體積密度分別要達到5.5wt%和4kg/100L,同時要求充電時間小于3.3分鐘,循環壽命1500次。

    高壓儲氫的儲氫體積密度較低,H2對儲氫氣瓶壓力的需求為70MPa左右,因此一旦氣瓶金屬發生疲勞失效或產生裂縫,危險難以想象。因此,這些問題都限制了壓縮儲氫罐在輕型車輛上的廣泛應用。

    低溫液化儲氫就是利用超低溫技術保存液化狀態的H2。但液化1千克H2需要消耗15.2kWh的電能,因此對容器絕熱性能的要求*。同時,在實際操作中,液氫泄露問題不可避免,既不安全也影響汽車續航里程,限制了液化儲氫罐在小型設備上的應用。

    物理吸附儲氫主要是活性炭吸附和碳納米管吸附,低成本、長循環壽命的活性炭有著巨大的應用潛力。高比表面積的活性炭材料,具有優越的儲氫質量密度和體積密度,此外,活性炭吸附儲氫脫附氫的速率快、條件溫和,因此其在燃料電池汽車的儲氫技術中有著良好的應用前景。碳納米管吸附在儲氫方面有著優異的特性,但因其制備成本問題影響了碳納米管在儲氫系統中的應用。

    金屬材料儲氫以其在體積儲氫密度上的優勢成為了近年來研究的熱點。金屬氫化物儲氫過程中H2的釋放經擴散、相變、化合等過程。目前,較成熟的儲氫材料主要是鈦系、稀土系、鎂系和鑭系。金屬氫化物的體積儲氫密度可以達到7kg/100L以上,安全性高,但因金屬密度高導致質量儲氫密度只能達到4wt%左右,且金屬氫化物對雜質較為敏感,H2吸脫附困難,限制了其在燃料電池汽車上的應用。

    4 結論

    雖然汽車企業每年都不斷推出性能提高的新型燃料電池車,但多數燃料電池汽車的儲氫系統仍是采用高壓儲氫罐實現的??傮w來說并未有革命性進步,僅滿足一般行駛需求。隨著對儲氫金屬材料研究的深入發展,可在中低溫及常壓下供氫且體積、質量密度高,工作性能安全的儲氫系統將是未來的研究發展方向。

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