氢燃料电池简介

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氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。德国已经广泛使用。

中文名氢燃料电池

使用元素氢

原 理电解水的逆反应

适用领域汽车能源,航天能源等

优 势无污染,无噪音,高效率

名 词绿色燃料“氢经济”

简介

汽车是人们生活中的重要交通工具,而汽车排放的尾气又是造成日益严重的环境污染的重要原因,为此,人们急需寻找一种代用燃料。科学家经过几十年的精心研究发现,用氢燃料电池作汽车动力无污染环境的有害成份。因此,使用氢燃料电池的汽车才是名副其实的“绿色燃料”汽车。据报道,在冰岛政府的支持下,戴姆勒-克莱斯勒公司和壳牌公司1999年初公布了把这个岛国变为世界上第一个“氢经济”的国家计划--最终用无污染的氢能源取代所有小轿车、公共汽车上使用的柴油和汽油。德国已经陆续推出了各种燃氢汽车。

过去,人们总以为氢气是一种化学元素,很少把它作为能源来看待。自从出现了火箭之后,氢气又变成了航天和核武器的重要材料,又将其制成氢燃料电池,为人们提供电能。那么,氢气是怎样发电的呢?

存在优势

无污染

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

无噪声

燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。

高效率

燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

应用领域

20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同,电网有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷,这就会导致停电或电压不稳。另外,传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能量转换率可达60%~80%,而且污染少、噪音小,装置可大可小,非常灵活。

氢的化学特性活跃,它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来,这就构成了一种良好的贮氢材料。

随着制氢技术的发展,氢燃料电池离我们的生活越来越近。到那时,氢气将像煤气一样通过管道被送入千家万户,每个用户则采用金属氢化物的贮罐将氢气贮存起来,然后连接氢燃料电池,再接通各种用电设备。它将为人们创造舒适的生活环境,减轻繁重的生活事务。但愿这种清洁方便的新型能源--氢燃料电池早日在人们日常生活中。

飞机应用

工作原理

燃料电池(Fuel Cell),是一种发电装置,但不像一般非充电电池一样用完就丢弃,也不像充电电池一样,用完须继续充电,燃料电池正如其名,是继续添加燃料以维持其电力,所需的燃料是“氢”,其之所以被归类为新能源,原因就在此。燃料电池的运作原理(如图1),也就是电池含有阴阳两个电极,分别充满电解液,而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入,氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用,使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron),其中质子被氧‘吸引’到薄膜的另一边,电子则经由外电路形成电流后,到达阴极。在阴极催化剂之作用下,质子、氧及电子,发生反应形成水分子,因此水可说是燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的“氢”燃料可以来自于水的电解所产生的氢气及任何的碳氢化合物,例如天然气、甲醇、乙醇(酒精)、沼气等等。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应,产生电流及水,不但完全无污染,也避免了传统电池充电耗时的问题,是目前最具发展前景的新能源方式,如能普及并应用在车辆及其他高污染之发电工具上,将能显著减轻空气污染及温室效应。

时速百公里

波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。波音公司称这在世界航空史上尚属首次,预示航空工业未来更加环保。但波音承认,这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。

波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奥卡尼亚镇进行试飞氢燃料电池飞机,成功试飞具有历史意义。 小型飞机起飞及爬升过程使用传统电池与氢燃料电池提供的混合电力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飞机切断传统电池电源,只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟,时速约100公里。这一技术对波音公司意义重大,也让航空工业的未来“充满绿色希望”。

小型飞机由奥地利“钻石”(Diamond)双座螺旋桨动力滑翔机改装而成,飞机内安装了质子交换膜燃料电池和锂离子电池。小型飞机翼展16.3米,机身长6.5米,重约800公斤,可容纳两人。试飞过程中,机上只有飞行员一人。

在机舱内,传统电池安放于唯一的乘客座位上,飞行员背后有一个类似潜水员使用的氧气罐。波音公司说,这架飞机连续飞行时间最长45分钟,“不会产生任何噪音”。氢燃料电池通过氢转化为水的过程产生电流,不产生温室气体。除热量外,水蒸气是氢燃料电池产生的唯一副产品。

波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但“波音(欧洲)研究与技术”部称,。这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。

技术局限性

在燃料价格上涨、环境污染与全球变暖的情况下,对更清洁、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增长。

波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但波音(欧洲)研究与技术部负责人埃斯卡蒂说,氢燃料电池可以为小型飞机提供飞行动力,但不能为大型客机提供主要动力。

波音公司负责试飞工作的工程师涅韦斯·拉佩纳说,这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。波音公司说,将继续开发氢燃料电池的潜力,以改善环境。

国际能源机构说,推广使用氢气和氢燃料电池,可减少石油、天然气、煤炭这三种可产生温室气体的能源消耗。

汽车应用

20辆中国自主研制的氢燃料电池轿车在同济大学新能源汽车工程中心举行赴京发车仪式,它们将在奥运会中投入运营。这20辆氢燃料电池轿车是基于大众帕萨特领驭车型,通过改制和集成最新一代燃料电池轿车动力系统平台而成功研发出来的。它们以氢气为能源,经氢氧化学反应生成水,真正实现零污染。氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多公里,时速达每小时140~150公里。氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重200多公斤,贵5倍以上。

氢燃料电池车的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源!

氢燃料电池车的优势毋庸置疑,劣势也是显而易见。随着科技的进步,曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善,然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍,这个价格是市场所难以承受的。

据悉,这批氢燃料电池车,最大输出功率高达60千瓦,燃料消耗仅为每百公里1.2公斤氢气,大约相当于4升93号汽油。

英国政府将大力发展氢燃料电池汽车,计划在2030年之前使英国氢燃料电池车保有量达到160万辆,并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。政府将从2015年起实现氢燃料电池汽车本土化生产,并自行研发相关技术,另外还将建设氢燃料补给站。[1]

目前丰田汽车公司已经将燃料电池的成本大幅降低, 整车价格控制在6.9万美元(40万人民币), 可提供100KW动力输出, 续航能力达到700公里. 并将在北美和日本本土上市, 上市时间为2015年上半年.

区别

干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。

发展

2010年6月30日,山东东岳集团向全世界宣告,中国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化。历经8年科研攻关,打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。与此同时,“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500吨的生产装置已经建成投产,解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈,中国由此成为世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。

30多年来 尖端技术一直被美日控制

“别小看这张膜,它关系到我们国家的经济安全。”东岳集团董事长张建宏介绍,全氟离子膜是氯碱行业和未来新能源利用的关键材料,被称为化学工业“皇冠上的明珠”,谁摘下了它,谁就掌握了国家战略“制高点”。上世纪60年代,美国杜邦公司开始研发,15年后研发成功。日本旭硝子公司从杜邦交换到部分生产权,但没有自主知识产权。30多年来,这一世界尖端技术一直控制在美国、日本两国手中。

离子膜,一直是中国人的一个“心结”。中国一直对离子膜实行零关税进口。从1980年开始,中国曾将这一技术列入国家“六五”“七五”重大科技攻关计划,先后投入几亿元资金进行科技攻关。但由于中国基础新材料的落后和投入机制等问题制约,该项目之前一直没有研制成功,被专家称之为“中国人心中永远的痛”。

研制攻关 美国用了15年,我们仅用8年

“离子膜”的研制,美国用了15年,而中国仅用了8年。新材料、新能源一直是党和国家领导人最关注的行业。张建宏告诉记者,全氟离子膜的研发工作受到了党和国家领导人的高度关注,近3年多来,胡锦涛、温家宝、李克强、李源潮等党和国家领导人一直重视“离子膜”研究,亲临现场视察指导。科技部专门派人现场考察,对这个项目给予了肯定和支持:“全氟离子交换膜材料研究”项目被列为国家863计划重大项目,“全氟离子膜工程技术研究”被列为国家“十一五”科技支撑计划重大项目。

膜为何物,事关未来能源利用

离子膜的原材料是萤石,萤石主要成分是氟化钙,属不可再生的战略资源,是发展氟化工的源头。全球萤石资源储量约6亿吨,中国储量就占了54%,居全球第一。离子膜是氯碱装置的核心装置,而其中发挥关键作用的是安装在电解槽上的全氟离子膜。东岳集团称:“我们自主研制出了两张膜,一张是氯碱用离子膜,这是我们的‘争气膜’。另一张事关未来能源利用的燃料电池膜,这是我们的‘争光膜’,燃料电池膜使我们走在了世界前列。”[2]

罗姆研发高能氢燃料电池明年上市 适用于手机推出两个版本

日本电子零件商罗姆与Aqua Fairy和京都大学联合研发的“高能氢燃料电池”,预定将于明年春季正式上市。这种新型电池是通过氢化钙和水之间发生的化学反应产生电力,一块体积不到3立方厘米的燃料电池可以产生5瓦时的电力。可广泛用于包括智能手机在内的多种电子设备,或是在紧急情况下提供后备电力[3]供应。

像可用于iPhone的燃料电池重量只有约3克,使用寿命则长达20年。而锂离子电池最多使用4到5年后就会失效,但“高能氢燃料电池”是一种化学产品,只要密封完好就可持续多年使用。适用于智能手机的“高能氢燃料电池”将推出两个版本,一种是可将手机插入其中的“覆盖型”,重30克;一种是通过USB进行连接的“外接型”,重23克。此外,还有种能为“便携发电机”提供电力的版本,重750克,能用于户外供电,并且不会产生二氧化碳等有害气体。

罗姆同时还在研发可用于地震仪的超大容量电池。如果将地震仪安放在火山口等缺乏电力的自然环境中,通常需要重达15到20公斤的汽车电池提供电力续航。但采用燃料电池重量就可降到3到4公斤,续航时间也可长达半年。罗姆正在进行市场调查,计划将于明年春季推出能商业应用的“高能氢燃料电池”。

发展现状

总述

据储能国际峰会获悉,作为真正意义上“零排放”的清洁能源,氢燃料电池在发达国家的应用正在提速。日本将于2015年前建成100座加氢站,已建成13座,欧盟在近期通过了增加燃料电池巴士项目;现代汽车ix35燃料电池车批产型号已于2012年3月下线,并计划2015年起大批量生产。这表明燃料电池已从实验室真正走向产业化,与锂电池相比,它更具有零污染优势。

美国能源部在对外表示,韩国汽车制造商现代汽车、德国汽车制造商奔驰、日本车企日产汽车和丰田汽车已经与该部门达成了协议,将准备推出首轮氢动力汽车。这一公共部门与私人企业合作模式将会把关注的重点放在氢能源基础设施的构建上,且将会把这个命名为H2USA。

韩国现代汽车在蔚山工厂举行了氢燃料电池电动车量产仪式,从本月末起将正式生产途胜ix氢燃料电池电动车。

2014年,韩国最大的独立发电商POSCO负责运营的世界最大氢燃料电厂落户韩国。目前,POSCO和电池供应商FuelCell还在计划打造另一个燃料电池发电项目,在首尔市快速公交公司经营的铁路附近,建设一个装机19.6兆瓦的项目,由7个2.8兆瓦的燃料电池组成,也是在供电的同时为当地供暖。据悉,首尔地区规划中的类似项目总装机量达到230兆瓦。[4]

根据Navigant Research公司的研究,韩国已经超过日本和美国,成为燃料电池发电最大的市场,其中,韩国今年氢燃料电池发电的市场价值最大就可达到10亿美元,到2022年,这一市场规模更有望攀升至150亿美元。

在欧洲层面上,荷兰、丹麦、瑞典、法国、英国与德国六国已经达成共同开发推广氢能源汽车的协议,各国将一同建设一个欧洲氢气设施网络,并协调能源传输。

英国政府提出,将大力发展氢燃料电池汽车,其计划2030年之前英国氢燃料电池车保有量达到160万辆,并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。

我国首辆氢燃料电池电动机车历时四年终于研制成功,可以用于工业领域,比如矿山牵引车。另外,08年奥运会期间我国自主研制的20辆氢燃料电池轿车投入运营,为首批获得国家上路许可证的燃料电池汽车,同济大学参与研制。[5]

相关个股

华昌化工:年产1000吨“硼氢化钠”已经投产。其用途,国防军工(火箭燃料),氢电池(主要构成原料)。公司主营化工原料、化工产品、化肥等。是经江苏省人民政府苏政复[2004]18 号文件《省政府关于同意变更设立江苏华昌化工股份有限公司的批复》批准,由华源化工整体变更设立的股份公司。品牌知名度日益提高。公司陆续通过了质量管理体系认证、环境管理体系认证和职业健康安全管理体系认证,公司主要产品纯碱获苏州市“名牌产品”称号,复合肥获苏州市、江苏省“质量信得过产品”与“国家免检产品”的称号。“全国农化服务中心”、全国氮肥行业合成氨产量、尿素产量、行业主营业收入50强。

同济科技:参股公司中科同力主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件研发,公司是同济大学控股的上市企业,在上海、山东等地有全资、控股、参股公司30多家。公司在土建技术和住宅科技方面竞争力强,拥有设计、工程承包、施工等专业的高级经营资质,参与了一系列国家重点工程级建设部住宅示范小区建设,获得众多国家鲁班奖、建设部金奖。此外,公司还涉足了包括IT、教育、机电和化工等产业。

长城电工:参股公司新源动力主要从事质子交换膜燃料电池开发生产,公司主要从事发电、配电及控制等成套系列产品的开发与销售,主导产品包括中压开关柜、低压电器元件、大中型电机等,销售区域遍布全国各省、市、自治区,并出口到全球三十多个国家和地区同时涉足节能环保、燃料电池等领域。

金龙汽车:是我国新能源客车制造领域应用的主要代表,09年公司和清华大学联合研制的新一代氢燃料电池城市客车在苏州下线。公司以大、中、轻型客车的制造与销售为主导产业,先后投资建立了客车冲压、焊装、涂装、总装完整的四大工艺生产线,形成了集客车整车与零部件制造的金龙客车生产体系。公司整体销售规模具备优势,已成为全球最大的大中客车专业生产厂商。

市场前景

相对于汽车市场,燃料电池在中小功率领域的应用更具备快速商业化的前景,中小功率电源市场目前具有上千亿美元的市场容量。这些市场主要集中在小型电动车辆、辅助电源、备用电源、野外电源等领域。这些应用对于性能有较高的要求,因此十分有利于燃料电池的应用。[6]

氢燃料电池为何不能大范围应用呢?[7]

1、氢气的来源问题。氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成因素,想得到氢气可以通过电解水,但这可是个不太经济的方法,能量损失极大!你想,先从电解水开始,耗费电能,产生氢气,氢气再发电过程中还会有能量损失;电解水的电现在也是以煤电为主发出来的吧,烧煤发电也会有能量损失。

2、金属铂的稀缺。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。这种金属就是咱结婚买戒指那个比24K金更贵的那个铂,它少啊,它贵啊,那么大规模生产氢燃料电池,这个铂就是瓶颈,完全没有规模化后成本减少的效应,反而需求越多越贵,这可怎么办好?

3、氢气的安全性。有人说带着氢气瓶就像带个氢弹,到底这个氢气瓶会不会爆炸啊?氢气是最轻的气体,它的扩散性极强,氢的扩散系数比空气大3.8倍,比汽油大7.5倍,由此可以证明氢比汽油安全是有根据的。所以少量的氢气泄漏,可以在空气中很快被稀释成安全的混合气。氢气的比重小,易向上逃逸,这使得事故时氢气的影响范围要小得多。

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