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燃料电池汽车--未来“氢经济”的动力

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

一、引言
  早在19世纪法国科幻小说鼻祖凡尔纳的小说中,预想家们就预言,有朝一日社会将通过以氢为基础的能源而被彻底改造。这种重量很轻的气体是宇宙中最丰富的元素,它能够从水中制成;它出奇地洁净;燃烧时排放出基本上是新鲜的蒸汽。当被输人到产生电力的燃料电池中时,它提供空前的效率一这些电化学反应堆从燃料中所摄取的有用能量高达内燃机的两倍。
  当人类步人21世纪,开始面临着巨大的能源压力。传统的能源(主要是不可再生的化石燃料)正
日趋枯竭,过度依赖石油进口引起地缘政治不稳定而且化石燃料燃烧后排放的废气造成严重的空气污染,甚至加速气候变化,因此要实现经济、社会的可持续发展,寻找新的替代能源迫在眉睫。氢能作
为最洁净、高效的新能源,已经引起全世界的广泛关注。
  燃料电池(FC)技术的突飞猛进使得氢能的梦想在21世纪开始变成现实。近年来,以氢为动力的
燃料电池汽车(FCV)得到了世界各国政府和企业的高度重视,并且取得了重大进展,预计在未来的5--10年内FCV将正式进人市场,以加氢站、输氢管道建设为标志的“氢经济”初露端倪。
二、燃料电池技概群汽车上的应用
  FC是一种将储存在燃料(氢)和氧化剂(氧)中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置,其过程不涉及燃烧,无机械损耗,能量转化率可高达80%,产物仅为电、热和水蒸气;而且FC运行平稳,无振动和噪音,所以被认为是21世纪的绿色能源。
  FC技术在汽车上的应用给汽车产业发展带来了革命性的突破,同时也推动了自身的发展。FC可以用作汽车的(辅助)动力电源,也可以用作辅助电源(APU)。
  事实上,人们考虑更多的是FC电动汽车(FCEV),它不同于传统汽车,其动力来自FC,而不是内
燃机,可以减少燃料消耗,产生更少的污染物排放,当以氢作燃料时,能真正实现汽车的“零排放”,因此更符合人们的经济环保观念。此外,在能量耗尽后,FCEV不像传统的蓄电池电动汽车(BEV)那样需要长时间充电,而只需补充燃料即可继续工作,这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。
  目前开发的FCEV主要用两种类型:纯燃料电池动力车和燃料电池一蓄电池混合动力车。纯燃料电池动力车采用大功率的FC堆栈,以确保在没有后备蓄电池的情况下能提供启动、瞬时加速的动力;而燃料电池--蓄电池混合动力车以蓄电池为主动力,小功率的燃料电池用作续程器。
  当 FC用作 APU时,汽车使用内燃机驱动,部分燃料通过 FC更有效地转化为电能,它可以为汽
车辅助设备提供足够的功率,使汽车变得更舒适、更环保、更安全。
  汽车用 FC研究最多、最成功的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为第五代FC,由于具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄漏等特点,被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。但是由于PEMFC需采用贵金属Pt作为电极催化剂,不仅提高了成本;而且限制了燃料只能采用纯氢,因为燃料中的微量CO也可导致Pt中毒。对于甲醇、汽油等燃料,必须经过重整纯化,从而增加了系统的复杂性。近年来,PEMFC技术取得了重大突破,燃料已经实现内重整,使得系统体积大为减少,有望进一步“减负”;更重要的是催化剂中pt载量大为降低,成本问题有望得到解决,相信PEMFC汽车在不久的将来能够实现商业化。
  在PEMFC的基础上,以甲醇代替纯氢直接作为燃料,可以大为简化系统,这种PEMFC称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC具有体积小、重量轻、燃料来源丰富、价格便宜、储存携带方便等优点,是理想的汽车动力源。对于DMFC而言,甲醇的阳极氧化迟缓及甲醇通过Nafion膜(全氟磺酸膜)的渗透所引起的阳极性能衰减是限制DMFC发展的主要问题。目前许多研究人员正在开发新的替代Nafion膜的聚合物膜,也取得了很大的进展。提高甲醇氧化的催化剂活性,减少贵金属用量也是DMFC技术实用化的关键。专家们认为这项技术距离实用化至少还需7年时间。尽管如此,许多人仍把它作为FCV的首选技术进行开发和研究。
  固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全陶瓷结构FC,其能量转化效率最高,操作方便,无腐蚀,与PEMFC相比,燃料适用面广,不须用贵金属催化剂,而且不存在DMFC的液体燃料渗透问题。但是
SOFC受电解质所限,须高温(1000℃左右)工作,导致启动慢,这是SOFC在汽车上应用的致命弱点。
随着SOFC技术的发展,其操作温度降至700-800℃,与燃料的重整条件接近,可以实现燃料的直接
内重整,不仅降低了堆栈成本,而且简化了热管理,使系统变得更紧凑,已经被用作汽车的APU。最
近低温SOFC的研究取得了突破性进展,采用新型低温固体电解质和高活性的电极材料,使工作温度降至500℃以下,若将其再与蓄电池或超级电容器联用,就可以用作汽车的动力源。无论是从技术还是从成本来看,低温SOFC汽车都有希望与PEMFC汽车在未来的FCV市场上一较高下。
  除了上述三种FC在汽车上有很好的应用前景,碱性燃料电池(AFC)和磷酸燃料电池(PAFC)这
两类最早开发的FC也被应用于汽车,目前均有相应的样车推出。但是在汽车上的应用并不成熟,还有大量的技术问题有待解决,所以不为人们所关注。FC技术日新月异,新的FC将综合各种现有FC技术的优点,有望开发出性能更好、更实用的FCV。
三、燃料电池汽车的产业化前景
  目前FCV的产业化至少有三大困难要克服:
  一  是成本问题。由于要用到贵金属Pt,因此成本居高不下。现在石油比氢便宜得多,但随着石油的减少,价格上升,再加上污染环境治理的成本,氢就显得更经济。此外,批量生产FC,研制新的电池材料,可以进一步降低成本。
  二  是氢源问题,包括氢的制备、储存与运

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