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氢能与燃料电池能源系统


第 27 卷 ,总第 155 期   2009 年 5 月 ,第 3 期

《 节 能 技 术 》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY

氢能与燃料电池能源系统

dates of alternative energy resource and/ or the dominant ene

rgy in future world energy constituent , has been el cell technological progress , the feasibility of hydrogen energy utilization has been verified powerfully1 Three drogen economy ; nuclear fusion ; renewable energy energy infrastructure1

tion of hydrogen economy strongly relys on the fuel cells technological progress and the construction of hydrogen

1  引言

1 根据文献〔 〕 的统计和预测 ,2003~2030 年期间 , 国际能源消费随人口的不断增长和经济的不断发展 将以年 210 %的速度增长 , 其中包括中国和印度的 亚洲 、 中美洲和南美洲 、 非洲 、 中东和欧亚大陆的能 源需求将以 510 %的年平均增长率增长 ; 从最终用

收稿日期   2009 - 02 - 30    修订稿日期   2009 - 05 - 08 作者简介 : 邢春礼 (1963~) ,男 ,博士 。

investigated extensively1 With the analysis of hydrogen production , hydrogen storage , hydrogen transfer and fu2 typical fuel cell energy systems are introduced and discussed briefly1 Finally , authors believe that transforma2 Key words :hydrogen energy ; hydrogen production ; hydrogen storage ; fuel cell ; plasma ; energy system ; hy2

摘   : 基于对世界能源需求 、 要 氢能的特点和应用的分析 ,论证了氢能作为替代能源和未来主 要能源构成的现实性 ; 通过对氢气制备与储存技术和燃料电池技术进展的简要分析 ,论证了氢能利 用的可行性 ; 介绍了三种燃料电池能源系统 ; 简论了氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术发展和 氢能基础设施建设 。 关键词 : 氢能 ; 制氢 ; 储氢 ; 燃料电池 ; 等离子体 ; 能源系统 ; 氢经济 ; 核聚变 ; 可再生能源 中图分类号 : TM91114 ; TK91   文献标识码 :A   文章编号 :1002 - 6339 ( 2009) 03 - 0287 - 05

XING Chun - li1 , FEI Y 2 , HAN J un1 , ZHAO Guang - bo1 , QIN Yu - kun1 ing

Abstract :On the basis of world energy and clean environment requirements , hydrogen energy properties and

hydrogen energy applications , the reality of hydrogen energy which would be one of the most competent candi2

( 11School of Energy Science and Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 ,China ; 21 Harbin Light Industry School , Harbin 150040 , China)

邢春礼1 ,费   2 ,韩   1 ,赵广播1 ,秦裕琨1 颖 俊 ( 11 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 ,黑龙江   哈尔滨   150001 ; 21 哈尔滨轻工业学校 ,黑龙江   哈尔滨   150040)

Hydrogen Energy and Fuel Cell Energy System

户能源消费来看 ,2003~2030 年期间 ,农用能源和商 用能源平均增长率分别为 117 %和 118 % ,由于高昂 的石油价格 , 运输领域增长较慢 , 仅为 114 % ; 工业 部门 的 能 源 需 求 增 长 最 快 , 年 平 均 增 长 率 为 〔 214 % 1〕。 另一方面 , 当今世界的大部分能源需求靠化石 燃料满足 ,在过去的两个世纪里 ,能源技术的空前发 展为人类的文明进步做出了伟大贡献 。但是 , 以化 石燃料为主体的能源结构和以燃烧方式为主要能量 ?2 8 7 ?

Vol127 ,Sum1No1155   May12009 ,No13

转换利用方法的世界能源体系给人类生存环境造成 的破坏性影响也是严重的 ,同时 ,化石燃料的有限性 也是一个必须面对的现实 。 因此 , 世界各国先后开始了新型替代能源的研 发工作 。基于高效 、 清洁的能源利用需求 ,能成为替 代能源的核能 ( 核聚变) 、 太阳能 、 、 风能 生物质能 、 地 热能 、 海洋能和氢能等利用技术得到了不同程度的 发展 。
2 2  氢能的特点〔 〕

? 氢来源广泛 , 具有再生性 。最充足 、 最廉价的 氢源是水 。
3〔        1   表 氢与其它燃料的比较〔 〕4〕

LHV(M kg) J/

   所以 ,与核能 、 太阳能 、 、 风能 生物质能 、 地热能 、 海洋能比较 ,氢能的上述特点使之作为高效 、 清洁替 代能源较具竞争力 。因为氢能没有其它替代能源候 选者的污染物排放问题 、 地域性问题 、 低能量密度和 间歇性问题 、 收集储存输运问题等 ,潜在的竞争仅来 自核聚变 。

3  氢能的应用

从能源需求和氢能特点简论了氢能作为理想替 代能源的现实性 ,通过讨论氢能的实际应用 ,进一步 说明这一推论的合理性 。 6 (1) 航天航空领域〔 〕: 著名的应用有氢氧发动 机 ,新型大功率运载火箭及动力装置的燃料 , 欧盟 “CRY OPLANE” 计划充分证明了液氢做为未来航空 燃料的技术可行性 。鉴于相同重量液氢的能量密度 是煤油的 218 倍 , 氢燃料对未来航空发展的影响可 能是革命性的 ,此外还有以氢为燃料的燃料电池供 电的电动飞机等 。 7 ( 2) 军事领域〔 〕: 以氢为燃料的燃料电池供电的 潜艇 ,Quantum AMV “攻击者” 军用车 , 军用机车 , 中 、 小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等 。 8 (3) 能源领域〔 〕: 以氢为燃料的燃料电池 ( 详见 本文 5) ,太阳能 — 氢能系统 ,生物质 — 氢能系统 。 〔〕 8 ( 4) 交通运输领域 : 燃料电池汽车 、 大巴 、 各种 适用的运载工具包括高尔夫车 、 工程车 、 、 、 铲车 卡车 ?2 8 8 ?

特性 分子量 (g/ mol) 密度 (20 ℃,1011325 kPa) ) 沸点 ( ℃ (℃ 燃点 ) 空气中的可燃极限 ( 体积 %) 每个能量单位的 CO2 产量
) 空气中的自燃温度 ( ℃ HHV(M kg) J/


01083 75 < - 253 0 - 25218 565 14210 12010 21016

甲烷
01668 2 - 188 110 540 5515 5010 161043

410~7510

510~1510

- 16115

6〔 4  氢气的制备和储存〔 〕9〕

411   氢气的制备 41111   电解制氢

包括水电解制氢 、 热化学制氢和高温热解水制 氢 。水直接电解制氢成本高 , 热化学制氢存在材料 问题 ,高温热解水制氢需解决热源的问题 。解决上 述问题的可能途径是等离子体制氢 , 其特点为工艺 简单 、 反应条件温和 、 无污染 、 能耗低 、 产氢率高 、 可 10 再生性〔 〕。 41112   化石原料制氢

? 氢本身无毒 ,属清洁的能源 。 ? 高发热值 。HHV ≈ 1143 × 5 kJ / kgH2 , 是汽油 10 发热值的 3 倍 ,是焦碳发热值的 415 倍 。 ? 燃烧性能好 。可燃范围宽 、 易燃 、 燃烧速度快 ( 见表 1) 。 ? 导热性能好 。比大多数气体的热导率高 10 倍 左右 ,是极好的传热载体 。 ? 可用各种方式储存 。从气体 、 液体到固体 , 可 储存于不同的物质中 ,如甲醇 、 乙醇和金属氢化物 。 ? 像任何其它燃料一样可以有效地输运 。 ? 氢利用和储存的安全性 。利用现有的技术 ,采 5 用物理和设计方法可以解决〔 〕。
甲醇
791 11

乙醇
789 13

丙烷

起重车 、 矿山机车 、 自行车 、 摩托等 。 〔〕 9 ( 5) 工业领域 : 氢是重要的化工原料 ,冶金 、 半

导体工业的还原/ 保护性气体 ,等离子体新工艺燃料 供给 ,新材料制备工艺改进等 。 总之 , 现在的氢能利用已不同程度地深入到各 个领域 ,进一步地说明了氢能作为理想替代能源的 现实性 。

包括烃类制氢 、 天然气制氢 、 煤气化制氢 、 甲醇 制氢 。目前世界 90 %以上的氢能来自化石原料制 氢 。问题包括消耗宝贵的不可再生资源 , 使用催化 剂和排放 CO2 造成环境污染 , 热效率低 。解决上述 问题的可能途径是引入热等离子体技术以简化工艺 流程 ,实现 CO2 零排放 , 提高系统效率 , 这一技术路 线对 “等离子体点火技术” 的研究也是有意义的 。相

617~3610 2219 2011 115 385

32104 6415

313~1910 423 2918 2710

461063 4 7815

211~1011 490 5012 4613

44110 11865

- 4211 - 104

110~716 1180 4713 4410

230~480

汽油 约 10710
751 22~225 - 43

关信息可参考文献〔 〕 P168 及〔 〕 14〕 6 的 11 ~〔 。 41113   生物质制氢 由于化石原料制氢技术的相对成熟使生物质制 氢技术研究集中在生物质热化学制氢方法上是自然 的结果 ,但 CO2 的排放 、 碱金属问题和热效率低的问 题是必须面临的挑战 。一种高效清洁的生物质制氢 方案是引入等离子体技术或其它相对成熟的能源技 术 ,并结合燃料电池发电技术构建新型能量转换系 15 统〔 〕。另一类生物质制氢方法的技术路线为微生 16 物制氢技术〔 〕,包括藻类产氢 、 发酵法生物制氢 、 光 合细菌产氢 、 耦合产氢 、 酶法制氢 。生物制氢原理简 单 ,但机理复杂 ,产氢能力低 。由于生物制氢是可再 生的 ,环境友好的产氢技术 ,采用基因改良和人工驯 化的方式在培养混合菌种 、 选育耐酸发酵菌种 、 完成 天然菌种的驯化方面期待突破 。 41114   太阳能制氢 包括太阳能电解水制氢 、 太阳能热化学制氢 、 太 阳能光化学制氢 、 太阳能直接光催化制氢 、 太阳能热 解水制氢和光合作用制氢 。太阳能电解水制氢采用 太阳能 — 光伏电池 — 电解水制氢系统 , 由于低光电 转换率 ,目前 ,该方法在经济上没有竞争力 ; 太阳能 热化学制氢是最有可能率先实现产业化的太阳能制 氢技术 ,与技术相对成熟的传统热化学制氢相比 ,太 17 阳能只是一个热源〔 ~19〕; 太阳能光化学制氢的主 要光解物为乙醇 ,由于乙醇是完全透明的 ,必须加入 光敏剂以吸收光能 , 因此该方法的关键技术在于高 光吸收率新型催化剂的研发 ; 太阳能直接光催化制 氢是直接利用太阳能分解水制氢 , 包括光催化剂分 解法 、 络合催化分解水制氢 、 光电化学电解法制氢 , 该方法的关键在于开发性能稳定的光催化剂 , 使它 在吸收光能 、 电荷分离与输运方面发挥控制作用 ,由 于该技术环境友好 ,可再生性 ,因此成为太阳能制氢 的研究热点 , 尽管目前氢产率仅可高达 15 %左右 ; 光合作用制氢是利用光合菌产生特定的氮化酶和氢 化酶 ,然后利用它们分解水 , 主要问题是效率低 、 酶 的热稳定性差且寿命短 。上述太阳能制氢技术研发 旨在充分发挥太阳能廉价 、 清洁 、 丰富的突出优点 , 太阳能也有呈著的缺点即能量密度较低 、 间歇性和 地域性 ,为此 ,利用氢能的可存储性与输运特性 , 开 发了太阳能 — 氢能 — 用户的能源系统 , 该系统的显 著特点是实现氢的连续性生产 “太阳能 — , 氢能” 系 统的概念极具研发价值 。 412   氢能的储运 41211   常规氢能储存 (1) 高压压缩储氢 。压力为 ( 12 ~8215) MPa , 质

量分数为 116 %~ 10 % , 是目前常用的储氢技术 , 缺 点是能耗高 。 (2) 液化储氢 。通过高压氢气绝热压缩可实现 液化储氢 。优点是体积能量密度高 , 储存容器体积 小 ,缺点是能耗高 , 理论能耗为 4 kW? kgH2 , 由于 h/ “热分层问题” 导致维护成本高 。目前 , 也是常用储 氢技术之一 。 ( 3) 金属氢化物储氢 。原理 : 利用金属和氢反应 生成金属氢化物而将氢储存和固定 , 基于反应可逆 性 ,通过升温和减压释放氢气 。该技术的优点是储 氢容量大 ,成本低 , 缺点是储氢合金易粉化 , 经多次 储放氢循环 ,储放性能明显降低 , 此外 , 还需热交换 附属设备 。目前储氢质量分数仅为 115 %~ 3 % , 研 发方向为开发循环稳定性高 ,吸 、 放氢速度快的储氢 合金 ,商业化前景明朗 。 41212   非金属氢化物储氢 原理 : 利用某些烯烃 、 炔烃或芳香烃等储氢剂和 氢气的可逆反应实现加氢和脱氢 。理想的有机液态 氢载体有环已烷 ( CY) 、 甲基环已烷 ( MCH) 、 苯和甲 苯 。有机液态氢化物可逆储放氢系统是一个封闭系 统 ,由储氢剂的加氢反应 → 氢载体的储存 、 运输 → 氢 载体的脱氢反应过程组成 。和传统储氢方法相比 , 具有储量大 ,储能密度高 , 储氢效率高 , 适于长距离 大规模运输 ,储氢剂可反复使用的优点 ,主要问题是 脱氢效率低 ,需开发低温 、 高效 、 长寿命的脱氢催化 剂 ( 详见文献〔 〕 P1156~ P1159) 。 9 的 41213   活性炭储氢 原理 :利用高比表面积活性炭作吸附剂 ,在中低 温 (77~273 K) 、 中高压 (1~10 MPa ) 下吸附储氢。该 方法具有成本低、 储氢量高、 解吸快、 循环使用寿命长 和易实现规模化的优点 ,储氢分数与温度和压力有 关 ,达到 119 %~918 % ,等温脱附率可达 9519 % ,活性 碳纤维和纳米碳纤维是有前途的吸附剂。 41214   纳米碳管储氢 受碳纳米管高比表面积结构优势的鼓舞 , 开发 高储氢潜力的碳纳米管储氢技术是有意义的尝试 , 其储氢原理包括物理吸附和电化学储氢 , 研究对象 有单壁管和多壁管 ,到目前为止 ,由于储氢机理尚未 得到充分理解 , 储氢分数的实验值分散在 014 %~ 14 %之间 ,并且存在实验的可重复性问题 。 41215   其它储氢技术 包括高达 700 MPa 高压储氢 、 碳凝胶储氢 、 玻璃 微球储氢 、 氢桨储氢 、 冰笼储氢 、 层状化合物储氢 、 无 机物储氢等 ,这些储氢技术尚处研发阶段 。 ?2 8 9 ?

5  燃料电池
511   原理

(2 ) 电动车 、 、 船 居民热电联供 , 容量范围 ( 5 ~ 200) kW 。 ( 3) 现场热电联供 ,容量为 ( 012~1) MW 。

燃料电池由阴极 、 、 阳极 夹在两极之间的电解质 隔膜以及集流板 4 个主要部件构成 。以氢 - 氧燃料 电池为例 ,在阳极发生燃料的电氧化反应 ,生成 H + 和电子 e 。 ( 1) H2 = 2H + + 2e
H + 通过电解质流向阴极 ,在阴板发生氧化剂的电还

(4) 分散式电站 ( 固定电源 ) , 容量为 ( 2 ~ 20 )

MW 。 ( 5) 大型发电站 ,容量为 ( 10~300) MW 。

原反应 ,生成水 : ( 2) 1/ 2O2 + 2H + + 2e = H2O 电子通过连接阳极和阴极的外电路形成电流 , 总反 应为 ( 3) H2 + 1/ 2O2 = H2O

通过氢能储运和燃料电池技术的简要讨论 , 深 化氢能将是未来合适替代能源的可行性认识 , 因为 氢能已渗透到现能源利用系统中的所有领域 。 上述讨论旨在说明 “氢能在未来的能源发展中 将成为主导能源” 。基于这一推论 ,有必要介绍几个 基于氢能和燃料电池技术的能源系统 。

6  燃料电池能源系统

512   燃料电池的特点 (1) 高效 。燃料电池依电化学原理等温地将化

学能转为电能 ,理论热电效率为 85 %~ 90 % , 目前 , 各类电池实际的能量转化效率均在 40 %~ 60 %范 围 ,若实现热电联供 ,总效率可达 80 %以上 。 ( 2) 环境友好 。以纯氢为燃料的燃料电池 ,化学 产物为纯净水 ,根本上消除了 NOx ,SOx ,CO2 和尘粒 的污染 。 ( 3) 安静 。燃料电池依电化学原理工作 ,电池本 体无运动部件 ,这对于民用特别是军用具有重要战 略意义 。 (4) 可靠性高 。碱燃料电池和磷酸燃料电池发 电厂的运行经验已证明燃料电池的高度可靠 。宜用 于应急电源和不间断电源 。 513   分类 依电解质种类 、 燃料电池分为 5 类 : 碱性燃料电 (AFC) 、 池 磷酸燃料电池 ( PAFC) ,熔融碳酸盐燃料电 池 (MCFC) ,固体氢化燃料电池 ( SOFC) , 质子交换膜 燃料电池 ( PEMFC) 。AFC 、 PEMFC 和 PAFC 为低温燃 料电池 ;MCFC 和 SOFC 为高温燃料电池 。 514   问题 对于 AFC ,需解决电解液劣化 , 水 、 热平衡控制 问题 ; 对于 PAFC ,在廉价催化剂开发 、 延长系统寿命 和降低成本上期待突破 ; 对于 MCFC ,希望提高工作压力 , 提高输出电流 密度 ,延长电池寿命 ,降低成本 ; 对于 SOFC ,希望改善电池结构 ,开发耐热材料 , 薄膜化电解质 ; 实现低温运行 。 515   应用 ( 1) 可移动电源 、 便携电源 、 航空电源 、 应急电源 和计算机电源等 ,容量在几 W~1 kW 之间 。 ?2 9 0 ?

美国 (LANL ) 开发了一种 CO2 零排放能源系统 。 技术特点 : 借助钙基催化剂和水蒸气对煤进行 气化 。产物 CO2 通过与 MgSO4 反应生成稳定的可存 储的 MgCO3 矿物 ; 而产物 H2 用于固体氧化物燃料 电池 ( SOFC) 的燃料进行发电 。日本 ( CCUJ ) 发展了 类似系统 。 ( 2) 中国天津大学发明了 “一种基于甲烷裂解和 〔 〕 20 燃料电池的能源系统” 。技术特点 : 利用流化床 进行甲烷催化裂解 , 产物氢气用于质子膜燃料电池 的燃料进行发电 , 而产物碳用于直接碳燃料电池的 燃料进行发电 。 ( 3) 中国华北电力大学建议了一种 “热解 — 直接 〔 〕 15 碳燃料电池联合发电系统” 。技术特点 : 利用流 化床热解生物质 , 产物碳用于直接碳燃料电池燃料 进行发电 ,而以氢气为主要组分的气态产物用于固 体氧化物燃料电池发电 。 上述三个系统的共同问题 : 原料适应性差 ,工艺 相对复杂 ,工业放大面临的困难具有不确定性 。

7  氢经济

目前 ,实现氢经济转化的主要障碍有两个 ,一个 是燃料电池技术的研发 , 另一个是氢能的基础设施 建设 。燃料电池虽实现了不同程度的商业化 , 但离 实现规模化的燃料电池生产尚有一段距离 , 实现重 大突破的前提是开发新型材料 ( 催化剂) 以降低燃料 电池成本和延长燃料电池的寿命 ,改善电池堆的热 、 水管理 。如果说燃料电池技术的研发是技术问题 , 那么氢能基础设施建设很大程度上应视为经济问 题 ,据估计 ,建全氢经济氢能基础设施至少需20 000 亿美元 , 尽管如此 , 美国 、 欧盟 、 日本 、 韩国和中国等 已开始实施了各自氢能计划 , 由于最有可能率先实

( 1) CO2 零排放煤制氢发电系统 (〔 〕179) 9 P

现产业化的是燃料电池汽车 , 因此利用现有技术加 快建立供燃料电池汽车用的氢气加注站 ( 中国已有 6 座) 战略意义重大 , 它能增强制造商和用户的信 心 ,扩大市场占有率 ,因此实现氢能储存和运输的重 大突破意义深远 。

8  结论
(1) 氢能特点和技术发展决定了它在未来世界

能源体系将占主导地位 ,潜在的竞争来自核聚变 。 ( 2) 燃料电池技术将决定氢经济的进程 。 ( 3) 基于燃料电池能源系统的研究有重要意义 。 (4) 有必要开发工艺简单 、 环境良好 、 可再生的 制氢新技术 。 (5) 氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术研 发和氢能基础设施建设 。 ( 6) 期待氢储和输运技术的重大突破 。 参考文献
from the U1S1 G overnment1http :/ / www1eia1doe1govl ,20061 Barlington ,MA : Elservier Academic Press1 drogen1pnl1gov ,20061

31212   减少噪声污染

4  结论

6 β 式中   CO2 ——碳排放因子 , 取 01866〔 〕。 —

计算得 :

在干燥过程中 , 噪声主要由输送设备及热风炉 热源设备造成 。根据环保部门测试数据显示 , 在烘 干过程中平均声级有 85 %以上均超过90 dB/ A的工 7 作场所声级限制 ,有的平均声级高达102 dB/ A〔 〕,已 严重地污染了环境 , 对作业人员的生理和心理造成 危害 。而利用太阳能干燥就能很好地解决这一问 题。

实验证明 , 利用太阳能干燥饲料级硫酸铜是可 行的 。太阳能干燥装置升温效果理想 。在实验条件 下 ,平均温升高达 25 ℃; 日干燥脱水量可达 11 % ,干

Center1 Comparative Properties of Hydrogen and Fuels” :/ / hy2 “ http Graw - Hi111

( 上接第 286 页)

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