氢燃料电池技术的研究

摘 要：化石能源不可再生性决定其终究会枯竭，为争夺资源的战争不断，化石能源使用带来环境污染。寻找环保可再生新能源成为不可回避的任务。

关键词：能源；可再生；清洁能源；燃料电池

第一章 引言

1.1化石能源的不可再生性

化石能源作为一次性不可再生能源，其资源量必然随着开采量的增加而逐渐枯竭，随之而来的必然是价格的上涨和资源竞争的加剧，这对世界经济和政治安全都形成了潜在的威胁。目前世界各国普遍存在着不同形式的能源危机，如对于20世纪90年代的海湾战争和2003年的伊拉克战争来说，其本质也就是为了争夺一种传统能源—石油而引起的国际争端。

1.2化石能源的使用带来的环境污染和温室气体

化石能源的开采、加工、燃烧过程中会有CO、HC、NOx、SOx及微粒等污染物的排放，严重地威胁着人们的身体健康。化石能源的燃烧是导致温室气体排放的最主要的原因。温室气体的排放对全球气候和环境都造成了严重的影响。

1.3可再生能源战略势在必行

由于目前替代石油能源的新能源技术的发展，尚不能支持经济发展和人类生活的需要。因此，化石能源还将在一段时间内，继续承担着主导能源的角色。可是长期来看，化石能源被可再生清洁新能源替代是一个必然的趋势，从世界能源科技发展的趋势来看，这种替代技术的发展，将在接下来的50年～100年间达到成熟和商业化的水平。从长期能源科技的发展来看，后续能源的替代技术，是未来能源产业发展的战略方向，因此，在加快推进煤炭天然气对石油资源替代的同时，必须抓紧新能源技术的开发研究，以便形成技术储备，奠定技术基础，应对能源更替的新时代。

第二章 氢能

氢能研发己发展成为世界性的科学技术热点问题。作为氢能利用技术平台的燃料电池，也成为世界日益关注的重要研究领域。

2.1氢能研究水平与技术现状

2.1.1化石燃料制氢技术

用化石燃料制氢技术成熟、效率高、成本低，目前，世界上氢气大部分以化石燃料为原料制取，小部分来自于电解水及其他。目前世界氢产量高达5000亿m3/a，其中天然气制氢达48%、石油30%、煤18%、水电解4%。用矿物燃料制氢的一个主要问题，是在制氢时会产生大量的CO2而对环境产生污染，另外，从矿物燃料制氢将来还存在矿物燃料短缺的问题。随着氢气需求量的增大及化石燃料储量的降低，应寻找新的技术路线，发展新的制氢技术。

2.1.2生物制氢技术

生物制氢是一种无污染的经济制氢方法。该方法具有原料易得，制氢成本低，该技术在20世纪60年代中期就已提出，20世纪90年代受到重视，德、日、美等一些发达国家制定了生物制氢的发展计划。微生物制氢能力的高低，直接决定生物制氢系统的效率，目前，国外都在利用不同途径获取具有高效产氢的微生物菌株。

2.1.3太阳能制氢技术

目前，几乎所有已知的其它能源都直接或间接地来自太阳能。但是太阳能具有时间和地域不稳定的缺点。如何将时间和空间上不稳定的可再生能源变为人类稳定的能源，这就需要氢。人们可以将不稳定的可再生资源发电，以电解水得到氢气储存起来，在需要时再用氢发电送给用户。

2.2我国氢能之路

我国也很重视对氢能和燃料电池技术的研发。氢的规模储运是氢能应用的关键，氢制备技术和燃料电池的发展，带动了储氢技术的研究。我国的储氢技术研究集中在金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、复杂化合物储氢等几个方面。目前，我国燃料电池研究进展显著，主要侧重质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）三种燃料电池的研究。相比而言，我国在PEMFC方面的研究水平与国外差距较小。1998年，北京理工大学和清华大学核能与新能源技术研究院在质子交换膜燃料电池本体技术发展的基础上，开发了燃料电池微型电动车。

第三章 氢燃料电池（Fuel Cell）

3.1国外燃料电池发展状况。

2007年3月的一份统计表明，目前世界上已有36家汽车公司82余种车型的燃料电池汽车问世。国际燃料电池产业巨头—加拿大巴拉德公司，筹资3.2亿美元建成世界上第一个燃料电池厂。2002年2月正式投产。第一批商业定单就3600万美元。戴姆勒—克莱斯公司每年投入10亿美元用于开发燃料电池，丰田公司的年投资额超过500亿日元。近几年，全球各大汽车制造商都推出了自己特色的燃料电池电动汽车，其中戴姆勒？克莱斯勒、丰田、通用、本田等公司处于发展的前列。尤其是戴姆勒？克莱斯勒公司与国际著名的燃料电池开发商加拿大的巴勒德（Ballard）公司强强联合，开发的轿车F―Cell和燃料电池客车Ciltaro已经投入了世界各地的商业化示范运行。

3.2 国内燃料电池发展状况

我国对燃料电池的发展非常重视，“十五” 期间，国家科技部投人3000万元进行氢能源与燃料电池”973”计划基础研究，8.8亿元启动了“863”计划电动汽车重大专项”，其中约4亿元用于燃料电池城市客车和轿车的研发。目前，中国在车用燃料电池系统及整车系统方面已形成了一整套拥有自主知识产权的核心技术，开发出了燃料电池城市客车和轿车演示车。2003年--2005年，中国科学院大连化学物理研究所和上海神力公司研制了多台满足不同功率需求的客车和轿车用燃料电池发动机；同济大学研制了超越（Beyond）系列的燃料电池轿车，最大速度达120km/h，续驶里程达到200km；2004年清华大学研制的燃料电池客车，行驶里程已经超过了10000km。2004年我国研制的燃料电池汽车参加了“上海必比登（Bibendum）国际清洁能源汽车挑战赛”，测试的各项指标表明，我国燃料电池汽车基本处于与国际同步发展阶段，但是有些方面还有一定的差距。

3.3燃料电池在汽车上的应用

燃料电池在工作过程中将外界供给的活性物质的化学能用电化学方式直接转换为电能，只要外部活性物质的供给不间断，燃料电池就会持续工作。据报道，20世纪末期，美国通用汽车公司开发的“氢动力1号”燃料电池轿车和戴姆勒-克莱史勒汽车公司开发的Necar-4燃料电池轿车，使用液体氢气，一次充气可行驶400Km以上，充气或更换氢气瓶只需要几分钟，比普通电动车充电时间短的多。燃料电池汽车的实用性能，如行驶速度、加速能力、一次加注燃料续驶里程等方面，可以和目前的燃油汽车相媲美。这是燃料电池汽车易于被使用者接受的主要原因。氢燃料电池汽车和传统的内燃机汽车有很大的不同，燃料电池汽车不用内燃机离合器、传动轴等，省去70%的机械零件，使之更适合自动化生产。更便宜，更容易进入千家万户。

第四章 结语

燃料电池技术在世界范围内已经取得一定突破。燃料电池电动汽车技术是目前世界环保汽车技术的热点，我国应更加积极开展燃料电池电动汽车技术研究，较快缩小与西方国家的汽车环保技术差距。从能源和环保角度讲，燃料电池电动汽车技术开发使能源多样化，将促进一系列技术和产业的发展。尤其在现在经济危机情况下绝不能放松了对新能源的投入，不然会加快能源危机的到来。无可否认，一场氢能源技术革命已经展开，我们坚信，一切会如人们预言那样：本世纪将是氢能的世纪，氢能时代一定会到来。

参考文献

[1] 毛宗强 《氢能—21世纪的绿色能源》 化学工业出版社 2005 01.

[2] 陈全世、仇斌、谢起成 《燃料电池电动汽车》 清华大学出版社 2005 05.

[3] 童忠良、张淑谦、杨京京 《新能源材料与应用》北京国防工业出版社 2008 01.

[4] 谢晓峰、范星河译 《燃料电池技术》[日]电气学会燃料电池发电21世纪系统技术调查专门委员会编著 2004 02.

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