绿色氢能交通——燃料电池汽车中新型制氢系统和余热利用装置的设计

绿色氢能交通

——氢燃料电池汽车中新型制氢系统和余热利用装置的设计•氢能及其应用系统背景

•氢能

能源是人类社会存在的基石。随着经济发展、人口增长，人类活动对能源的需求越来越大。化石能源是当前的主要能源，它属于不可再生资源，在地球上的储量有限，随着大量开采，终有枯竭之时。而且化石能源的消费剧增，会产生大量的温室气体CO2，及SO2、NO X等其他多种污染物。从能源战略发展来看，寻找一种新型清洁能源已迫在眉睫。

氢能由于其固有的特性，越来越引起社会各界的关注。氢的资源丰富。地球上的氢主要以其化合物（如H2O、CH4和C n H m等）形式存在。而地球表面70%以上被水覆盖，即使在大陆，也拥有丰富的地表水和地下水。水就是地球上无处不在的“氢矿”[1]。氢的来源多样性。可以通过各种一次能源（如天然气、煤、煤层气），也可以通过可再生能源（如太阳能、风能、生物质能）或者二次能源（如电力）来开采“氢矿”。氢能环保及可再生。利用燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水，无污染产物。而水又可以利用其他能源转化为氢和氧，如此循环，永无止境。氢气具有可储存性。这是氢能和电、热能最大的不同。可再生能源的时空不稳定性，可以用氢的形式来弥补，即将可再生能源制成氢储存起来。氢是安全的能源。氢在空气中的扩散能力很大，因此氢泄露或燃烧时能快速垂直上升到空气中并扩散，氢本身不具毒性及放射性，不产生温室效应。由于氢具有以上特点，所以氢能可以永远、无限期地同时满足资源、环境和可持续发展的要求，成为人类永恒的能源。

研究结果表明，以现有资源来实现平稳过渡到清洁能源经济，生物产氢和燃料电池是最有希望的组合[2]

氢作为能源使用时，除了需要制氢的生产装置，还必须向氢能消费地区和氢能使用装置转移、储存，形成一个氢能生产、运输、储存、转化直到终端使用的氢能体系。典型的氢能系统如图1-1所示[3]。因此在涉及和实施氢能发展战略时，要有综合大系统的理念，要根据终端用户的特点和要求来论证和选择各种氢能生产、储运和转化的路线，比较各种能源系统的成本，制定相关的法规和标准；政府要负责确定和支持氢能发展的领导责任，用政策支持、吸引企业的参加；进行教育宣传，让广大消费者认识和接受氢能产品。这样氢能才能在未来能源结构中起到越来越大的作用。这也是我们这次竞赛的意义所在。

图1-1 氢能系统

•氢能汽车

在过去的近20年中，汽车汽油机经历了从化油器→电控汽油喷射→发动机集中管理系统的技术飞跃，为降低汽油机的能耗和有害物的排放做出了重要贡献。但在目前的基础上，要使

Statoil Hydro和H2 Logic。

图1-2 加氢站分布图

2007年，中国第一座加氢站建成于上海安亭。由上海舜华新能源系统有限公司研发并建设，该加氢站已于2007年7月15日正式开业。上海舜华新能源系统有限公司与同济大学合作，自2004年以来，为满足不同用途需要，已先后开发3代移动加氢站：2004年开发的第一代移动加氢站，采用了非电驱动的氢气增压方式，填补了国内外在该领域的空白。具有机动性好、取气率高、加注能力强等特点，特别适合少量燃料电池汽车野外路试的氢燃料加注。公司为世博会建立了一座加氢站和两辆移动加氢站，世博加氢站将被移至上海嘉定汽车城，分成两座新站，可提供700bar和350bar的加氢需求。目前，中国有四座固定加氢站和五辆移动加氢车，使用的氢气主要来自工业副产氢。在上海，副产氢气足够10000辆FCEV的使用需求量。而北京的氢气来源比较广泛：管道氢气、现场天然气湿重整和电解水制氢。

图1-3 安亭加氢站实物参考模型图

•氢燃料电池汽车中新型制氢系统和余热利用装置的设计

基于硫碘循环制氢、氢气燃料电池驱动以及余热回收装置如图1-4所示。从能源来源到消耗都是一整个理想的零碳循环。来源是水，最后的产物也是水，是真正环保的能源形式。我们小组希望以我们的努力换来大家的关注，关注我们的环境。

图1-4 氢燃料循环示意图

•新型制氢系统

•硫碘循环制氢

热化学硫碘循环最早由美国General Atomic(GA)公司提出并进行了大量研究。循环过程如图2-1所示。Bunsen反应是放热的SO2气体吸收反应，反应在20-100℃范围内在液相中自发地进行，生成多水的氢碘酸（HI）和硫酸（H2SO4）。这两种溶液在多余I2的存在下形成了液-液相的分离。H2SO4和少量的I2和SO2组成了低密度相(H2SO4相)，而所有HI和I2的水溶液组成了高密度相(HI x相)，然后进行两相的分离。HI x相和H2SO4相在各自的系统内分别进行提纯和浓缩，HI分解在300-500℃下以气相吸少量热生成氢气，这步反应也能在液相中进行。H2SO4分解反应是吸热反应，它分两步进行，在400-500℃气相的硫酸自发地分解成水和SO3，之后SO3在850℃左右在固体催化剂的作用下分解成SO2和O2。通过连续地进行这三步反应，唯一的原料水分解成氢气和氧气。热化学硫碘循环过程如图2-1所示。

图2-1 热化学硫碘循环

整个反应可以分成三步反应如下

热化学硫碘循环水解制氢三步反应温度范围如图2-2。

图2-2 硫碘循环主要反应步骤

•硫碘循环制氢优势

大规模低成本制氢是发展氢能经济的基础，制氢方法很多，按原料主要可分为化石能源制氢、生物质制氢和水制氢。其中，生物质制氢和水制氢是利用可再生能源制氢的方法，是未来发展的方向。地球表面的70%以上被水覆盖；即使在大陆，也有丰富的地表水和地下水。水就是地球上无处不在的“氢矿”。电解水制氢成本太高，光分解离实用的距离尚远，高温热解水制氢也异常复杂，因此热化学循环分解水制氢引起了广泛注意。

21世纪初，美国Sandia国家实验室、General Atomic(GA)公司和肯塔基大学联合对115 个热化学循环进行了筛选。最终选定热化学硫碘循环作为制氢的理想循环。从近十年热化学循环的研究进展来看，无论是文献数量、研究的深入程度还是开展该项目研究的科研机构的数量，热化学硫碘循环都占绝对优势。而其需要的热源又有易于匹配的优点。热化学循环水分解制氢