车载储氢技术的发展与挑战

自 然 杂 志 第 ３ ３卷 第 １ 期
专 题 综 述
车 载 储 氢 技 术 的发 展 与挑 战 ＊
孙 大 林
教 授 ， 旦 大 学 材 料 科 学 系 ， 海 ２ ０ ３ 复 上 ０４３ ＊国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ０ ２ ０ ） ５ ９ ５１ ２
关 键 词 氢 气 车 载 储 氢 燃 料 电 池 汽 车
存 则 更 难 。 笔者 从 燃料 电池 汽 车 开 始 ， 次 简 要 叙 述 与 依 之 密 切 相 关 的氢 气 加 氢 站 ， 载储 氢 系 统 的 目标 ， 载 车 车 气 态 、 态 和 固态 储 氢 技 术 的 实 际 应 用 水 平 及 其 问 题 液
所在 。
燃 料 电 池汽 车 不“ 汽 油 只 “ 氢 ， 气 来 源 和 加 喝” 喝” 氢
１ 燃 料 电 池 汽 车 与 加 氢 站
２１ ０ ０年 上 海 世 博 会 的 园 区 内 外 ， 合 动 力 汽 车 、 混 纯
氢站 建 设 尽 管不 是 汽 车制 造 本 身 的 问题 ， 在 保 障汽 车 但
运 行 中 作 用 可 不 小 。 降 低 氢 气 的 制 备 成 本 和 加 强 加 氢 站 的 建 设 也 是 燃 料 电 池 汽 车 大 规 模 推 广 中 需 要 解 决 的 问 题 。 地 球 上 没 有 天 然 的 氢 ， 在 的 ９ ％ 的 氢 来 自煤 、 现 ７ 天 然 气 等 化 石 能 源 与 水 反 应 来 制 取 ， 传 统 能 源 日渐 减 在 少 的 情 况 下 ， 气 必 须 用 可 再 生 能 源 来 制 取 。 有 关 氢 气 氢
无 污 染 的 水 。 加 氢 一 次 只 要 几 分 钟 ， 可 以 跑 上 ３ ０ｋ 就 ０ ｍ 以上 ， 率要 高得 多 。 效
态 的形 式储 存 ， 是 要做 到 高 密 度 的 储 存 却 很 难 。在 有 但
体积 和 重 量 限制 的 车 载储 氢 技 术 中 ， 现 氢 的 高 密 度 储 实
车 完 全 采 用 电 能 ， 由于 动 力 蓄 电 池 的 能 量 有 限 ， 电 但 充
一
次 至 少 需 要 ５ ６个 小 时 ， 行 驶 的 里 程 只 有 １ ０ 多 ～ 可 ０
千米 ， 不远 ， 跑 目前 仅 适 合 短 途 的 市 内交 通 。 与 其 他 新 能源 汽 车 相 比 ， 料 电池 汽 车 以零 排 放 、 率 高 、 噪 音 燃 效 低 这三 大 优 势被 公 认 是 未来 汽 车 产 业 可 持 续 发 展 的方 向 ， 也是 解 决 能 源 问题 和 气 候 变 化 问题 的 最 理 想 方 案 。燃 料 电池 汽 车 采用 氢 气作 为 燃 料 ， 过 氢 气 和 氧 气 的化 学 通 反应 ， 化 学 能 转 化 为 电能 驱 动 汽 车 ， 终 排 出来 的是 将 最
最 轻 的 元 素 ， 温 常 压 下 的 氢 气 密 度 约 为 ０ ０ ９９ｇ Ｌ， 常 ．８ ／ 是 水 的 万 分 之 一 ； 度 降 低 至 ２ 时 ， 气 可 冷 凝 成 密 度 温 １Ｋ 氢 为 ７ ／ 的 液 体 ， 水 的 １ １ 。 氢 可 以 气 态 、 态 或 固 ０ｇＬ 是 ， ／５ 液
新 能 源 汽 车 中 ， 料 电 池 汽 车 共 有 １ ６辆 ， 括 了 专 用 燃 ９ 包 于贵 宾 接 待 的 ９ ０辆 燃 料 电 池 轿 车 ， 在 世 博 园 区 世 博 跑 大 道 线 上 的 ６辆 燃 料 电 池 公 交 客 车 和 跑 在 世 博 园 区 博 成 路 和 高 架 步 道 两 条 观 光 线 上 的 １ ０ 辆 燃 料 电 池 观 ０
电动 汽 车 、 料 电 池 汽 车 等 １０ ７辆 各 类 新 能 源 汽 车 构 燃 １ 成 了一 道独 特 的流 动风 景 线 ， 引 不 少 观 众 与 其 亲 密 接 吸
触 ， 感 受 绿 色 世 博 的 巨 大 魅 力 。 这 其 中 ， 料 电 池 汽 并 燃
车 以安静 、 适 的 特性 备 受 青 睐 。在 专 为世 博 会 奔 跑 的 舒
氢 能 是 新 世 纪 重 要 的 二 次 能 源 ， 燃 料 电 池 和 电 动 氢
光车。
汽 车ห้องสมุดไป่ตู้ 在全 世 界试验 并 逐步 走 向产 业 化 。氢 能 的 规模 化
利用涉及氢的生产、 存和运输 、 用三个相关环节 ， 储 应 其 中 ， 效 安 全 的 储 氢 技 术 是 影 响 氢 能 汽 车 推 广 应 用 的 关 高
来 安 全 隐 患 ； 态 储 氢 有 自挥 发 和 高 成 本 的 问 题 ； 于 储 氢 材 料 为 工 作 介 质 的 固 态 储 氢 尚 需 研 发 高 性 能 的 轻 质 储 氢 液 基 材 料 。笔 者 评 述 了 国 内外在 车 载 储 氢 技术 方 面所 取得 的 新成 果 与新 进展 。
研 发 高 效 、 全 、 成 本 的 车 载 储 氢 系 统 对 发 展 氢 燃 料 电 池 汽 车 至 关 重 要 ， 面 临 诸 多 挑 战 。 美 国 能 源 部 关 于 车 安 低 也
载储 氢 系统 的 技术 指 标 不是 针 对 某 种 特定 的 储 氢 方式 ， 是 参 照 当今 使 用汽 油 的 轿 车性 能 指标 提 出 的 。经 过 近 十 年 而 的 努 力 ， 于 气态 、 态 和 固态 的三 种 车载 储 氢 方 式 的燃 料 电池 汽 车 均 有 许 多 成 功 的 示 范 案 例 。但 由 于存 在 不 同 程 基 液 度 的缺 陷与 不足 。 三种储 氢方 式 中尚 无 一种 能 同 时满 足 各 项 指 标 。高 压 气 态 储 氢 的体 积 密 度 偏低 。 高 压 力 又 会 带 提
混 合 动 力 汽车 以燃 油 为 主 、 电力 为 辅 ， 比较 节 油 ， 节
油 率 约 在 １ ％ ～ ４ ％ 之 间 ， 毕 竟 还 是 要 耗 油 。 只 有 纯 Ｏ ０ 但 电 动 汽 车 和 燃 料 电 池 汽 车 是 真 正 的 零 排 放 。 纯 电 动 汽
键技 术 ， 是 目前 的 主 要 技术 障 碍［ ３。众 所 周 知 ， 是 也 １］ － 氢