氢能源

氢经济(英文:Hydrogen Economy)一词,由John Bockris 在美国通用汽车公司技术中心于1970年演讲所创。当时发生第一次能源危机时,主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后,整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。

氢电池即是利用氢气经过化学反应后产生能量,是燃料电池的一种,它不但不会产生废气污染环境,而且也可以储存能量,所以是目前正在研究大量生产的方法。

目标是取代现有的石油经济体系,并达到环保目标,但是诸多技术瓶颈导致“先有鸡、先有蛋”的循环难题,很多氢设备要大量使用才有成本效益,但是不先装设这些天价设备,则根本无法吸引人使用,更不会有相关产业,如何过渡到氢时代是氢经济的研究课题。

在目前的石油经济中,人员运输和商品运输都靠石油,例如石油提炼的汽油柴油,少数是天然气。不论如何都会产生温室气体和其他污染物质。而且石油藏量已经到达极限,但是使用需求却一直飙高,例如中国印度巴西新兴国家越来越多人生活水准提升也需要用油。

氢气是一种极高能量密度质量比值的能源。燃料电池的效益高过诸多内燃机。内燃机效率顶多有20–30%,而最差的燃料电池也有35–45%效率(通常都更高很多),再加上相关电动马达和控制器的耗损,最后纯输出能量最差也有24%,但是,内燃机的则是更低得多。

氢燃料电池汽车

燃料电池汽车( FCV) 是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置, 电动汽车所用的电力来自由电网充电的蓄电池。因此, FCV 的关键是燃料电池。

FCV燃料电池汽车

燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。发电的基本原理是: 电池的阳极( 燃料极) 输入氢气( 燃料) , 氢分子( H2) 在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子( H+ ) 和电子( e-) , H+ 穿过燃料电池的电解质层向阴极( 氧化极) 方向运动, e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极; 在电池阴极输入氧气( O2) , 氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子( O) , 与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的水( H2O) , 完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的, 只要阳极不断输入氢气, 阴极不断输入氧气, 电化学反应就会连续不断地进行下去, e-就会不断通过外部电路流动形成电流, 从而连续不断地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同, 这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而, 燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点, 这确保了FCV 成为真正意义上的高效、清洁汽车。

风冷式质子交换膜燃料电池的内部结构

PEMFC燃料电池工作研究

储氢

储氢(Hydrogen storage):虽然氢分子在质量的基础上具有非常高能量密度的,部分是因为其低分子量,气体在环境条件下从体积上它具有非常低的能量密度。如果它是被用来作为存储在车上的燃料,纯氢气必须是加压或液化,以提供足够的驱动范围。提高气体压力,提高了在体积上的能量密度,使用较小的,但不轻的容器罐(压力容器)。实现更高的压力,需要更多地使用外部能源动力压缩。或者,也可以使用较高的体积能量密度的液体氢或氢浆(slush hydrogen)。

氢安全性

除少数气体,如乙炔甲硅烷环氧乙烷之外,在所有的气体中,氢气是具有最宽的爆炸性/点火的气体与空气的混合范围。这意味着当火焰或火花点燃氢泄漏的混合气体时候,无论空气和氢气之间的混合比例如何,都将最有可能导致爆炸而不是一个单纯的火焰。这使得氢燃料的使用,特别是在封闭的领域,如隧道或地下停车场的使用会尤其危险。因为纯的氢-氧燃烧火焰是在肉眼几乎看不见的紫外线的色彩范围,所以如果氢气泄漏在燃烧,需要火焰探测器才能检测到。氢是无味的,无法通过嗅觉被检测到泄漏。

氢社会:一个更好的未来