氢云链2020-2-23 14:06
汽车排放造成的环境污染和石油资源枯竭正日益加剧,寻找清洁的替代能源,是每一个国家必须面临的问题。氢气来源广泛,可以通过太阳能、风能、核能等分解水获得;如果将其作为车载燃料,反应后只生成水,既能缓解环境污染,又能消除石油危机。氢燃料电池汽车正好满足了这些要求。燃料电池由于完全不进行燃料的燃烧过程,而是通过电化学反应直接将燃料的化学能转化成电能 , 因此它的能量转化效率可高达45%~60%,约是内燃机的两倍,而随着技术的进步,还可以达到更高。另外,氢燃料电池汽车不排放 SOx、NOx等有害气体,也不产生温室气体二氧化碳,可谓是真正的零排放汽车。再者氢燃料电池汽车不存在纯电动车充电时间长、续航里程短的弊病,所以它的诞生和发展对于汽车领域来说具有里程碑意义的。尽管氢能源汽车有着众多优点,但它仍有许多问题尚未得到妥善解决,导致其至今无法占据汽车的主流市场。比如氢气的制备和储存难,氢燃料电池的寿命低、成本高,加氢站等基础设施建设滞后解决好这些问题,将会为汽车界乃至所有的工业领域打开一个全新的局面,并且将有效化解能源危机、改善人类的生存环境,为人类社会的长远可持续发展做出重大贡献。1.发展氢能源汽车的优势氢气来源广泛,可通过电解水、化石燃料转化、生物分解有机物等方法制取,且氢气与氧气反应只生成水,生成的水又可以循环利用,因此,氢能源的可持续发展性非常优越,且氢燃料更经济更节能:氢燃料电池汽车每公里的燃料运行成本大约为汽油车的60%,未来还能降至更低。各国都很支持氢燃料电池汽车的发展,相关的补贴条件非常优渥。氢能源汽车主要分为两种:一种是氢内燃机汽车,即氢气直接在发动机的气缸里燃烧,化学能转化为机械能以驱动汽车行驶,和传统内燃机原理相似;另一种是氢燃料电池汽车,氢气供入燃料电池与氧气反应产生电能,电能再供给电动机以驱动汽车行驶,属于典型的电动汽车。目前氢能源汽车的主流发展方向是氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车具备以下特点:1) 燃料电池没有像内燃机一样的运动部件或摩擦副,能量转换在静态下完成,工作时无噪音、无振动,且运行温度低(80°C左右),功率响应快。2) 燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能,不受卡诺循环的限制,能量转换效率高,可达到60%以上。3) 相比纯电动车搭载的动力锂电池,氢燃料电池质量轻,补充能量的时间短(加氢只需3〜5分钟),续航里程长(>600km)。燃料电池可以装配在不同用途和不同型号的车辆上,功率只需通过配置单体电池的片数来选定,而续航里程则由氢燃料罐的大小(储氢容量)来决定。2.氢能源汽车的关键技术分析2.1氢气的制备、存储技术电是一种二次能源,需通过消耗一次能源来获得。最合理的是采用风力发电或太阳能发电。此外,风电和太阳能光伏电,业内称呼为垃圾电,其功率不平稳,发电时间不稳定,会对电网产生巨大冲击,所以这两种电很难并入电网。如果给这些电厂配备电解水制氢设施,这些垃圾电就能被就地消纳。因此氢气的制备选择电解水制氢法。作者进行了《关于氢能源汽车的技术认知及发展前景调查》(以下全部简称为《调查》)的调查报告,报告中对于"你认为最经济环保且最适合大规模生产的制氢方法是什么?”(如图1),有62.73%的人认为是"太阳能电解水制氢或太阳能光解水制氢”,占比最高;其次是"风力发电,电解水制氢”,占比50.91%,该两项数据也可以充分说明人们对风电制氢和太阳能发电制氢的期望和科学的制氢方式是相吻合的。除了以上三种储氢方式,其实还有一种最新的有机液态储氢。中国地质大学的程寒松教授和他带领的团队,将特定的不饱和芳香烃作为载体,通过催化的方式把氢化合进载体里,实现了在常温常压下就能将氢气存储起来。2016年9月,首台使用该技术的氢能客车"泰歌号"在武汉扬子江汽车集团有限公司成功下线,标志着我国卓有成效地推进了氢能源在汽车领域的产业化应用进程。2.2氢燃料电池技术质子交换膜燃料电池(PEMFC)易于实现小型化,并且能量转换效率高、低温启动性能好、可输出电流大、工作噪音小,因此最适合汽车搭载。PEMFC 的核心部件是膜电极组件(MEA),其包括质子交换膜、催化层、气体扩散层(GDL)等片层结构。GDL 通常为经过聚四氟乙烯憎水处理的石墨炭纸,其上需附着一层活性炭以使表面平整,再附着上铂催化剂。这几层材料经过热压成型后便形成 MEA,MEA 的两侧需装上密封圈,然后将其置于双极板之间,由此构成单体电池,若干块单体电池便组合成燃料电池电堆。双极板通常用石墨制作,需用数控铣床或者精雕机在其上加工阴、阳极气体流场,复杂的机加工使得双极板成本较高。PEMFC的工作原理为:H2和〇2通过双极板上的气道分别到达电池的阳极和阴极,通过MEA上的扩散层到达催化层。在膜的阳极侧,H2在阳极催化剂表面上解离为水合质子和电子,水合质子通过质子交换膜上的磺酸基传递到达阴极,而电子则通过外电路流经负载到达阴极;在阴极的催化剂表面,氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电子,生成水分子。在此过程中,质子要携带水分子从阳极传递到阴极,阴极也会因电化学反应而生成水,这些水都从阴极排出。PEMFC的工作原理如图3所示。3.2 落实加氢站的建设,优化能源补给网络在氢能源汽车产业链上,加氢站是上游制氢运氢与下游燃料电池汽车应用的重要枢纽。完善加氢站的建设,有利于加快氢能源汽车的普及和技术研发进程。加氢站的建设,必须由点及线、由线到面地进行布局。氢能源汽车通常优先发展商用客车,主要原因为:①公共交通的能源利用效率高,人均的能源消耗量低,示范效果的受众面比乘用车广;②公共交通的运行线路固定,且车辆集中,建设配套的加氢站难度较小。因此,加氢站早期的布置可以选取公交线路的起点和终点进行建造,然后在公交线路的沿途增设适当的数量,这是由点及线的过程。氢能源商用车促进加氢站网络线的形成,氢能源乘用车加氢也会变得便捷起来。氢能源乘用车的能源补给服务得到完善,又会促进加氢站由线扩展到面,进而逐渐形成完整的区域化加氢网络。加氢站的结构与加油站却相差不大,可以通过适当的手段将加油站改造成加氢站,比如现在有不少加油站都是废弃的,可以将它们很好地利用起来;或将加氢站合并建在加油站的旁边,两种方法都可以节省一部分的用地 ...