氫燃料電池現（xiàn）狀

 3月5日，第十（shí）三屆全國人大一次會議在（zài）北京開幕，國務院總理作政府工作報告，報告（gào）明確提到將新能源汽車車輛購置稅優惠政（zhèng）策（cè）再延長三年，全麵取消二手車限（xiàn）遷政（zhèng）策（cè）。毋庸置疑，新能源汽車的發展已經成為未來汽車產業發展的重要方向。作為新能源汽車的主要方向之一（yī），氫燃料電池車的（de）發展一直是業內關注（zhù）的焦（jiāo）點。

 

　　氫燃料電池的基本原理

 

　　氫燃料電池（chí）的（de）基本原理是電解水的逆反（fǎn）應，把氫和氧分別供（gòng）給陽極和陰（yīn）極，氫通過陽極向（xiàng）外擴（kuò）散（sàn），並與電解質發生反應，釋放出的電子通過外部的負載（zǎi）到達陰（yīn）極，是一種將存在於燃料與氧化劑中（zhōng）的化學能直接轉（zhuǎn）化為電能的發電裝置。從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上氫燃料電池車無需充電，隻需加氫。打個比方說，純電動車（chē）的（de）電（diàn）池就像儲電站，而氫（qīng）燃料電池就像發電站。

                               氫燃料電池原理

　　氫燃料電（diàn）池電動（dòng）車能量轉換效率高、無汙染、壽命長、運行平穩，最大的優勢則在於沒有汙染物排放。目（mù）前量產的氫燃料電池車（chē）型的加氫時間都在3-7min左右。這和燃油汽車加油加氣的時間沒有差別。

 

　　是什麽限製了氫燃料電池的發展?

 

　　問題主要出在氫的製造、運輸和儲存上。目（mù）前除了製造（zào）環節發展較為成（chéng）熟外，其他部分都還有不少問題亟待解決。

 

　　首先（xiān），製造出氫氣勢必要用容器進（jìn）行儲存，而氣態儲氫需要使用高壓氣罐將氫氣壓縮（suō）、儲存到碳纖（xiān）維包（bāo）裹的鋁（lǚ）製氣瓶中，氣體壓力（lì）可高達700個大氣壓，氣態儲氫存在儲氫量（liàng）小、安全性差等缺（quē）點；而液態（tài）儲氫在氫氣液化（huà）過程中（zhōng）需要消耗大量的壓縮功，能（néng）耗較高，對容器的（de）絕（jué）熱性能（néng）要（yào）求也較（jiào）高。

 

　　其（qí）次，在運輸過程中，由於氫氣的易燃易爆特（tè）性，增加加（jiā）氫（qīng）站時需要專門鋪設新的管道。這也就意味著想要實現氫燃料電池車的普及，還需要建立一整套配套設施。前期（qī）投資成本（běn）過高，再加上我國（guó）現階段氫燃料相關配套設施尚不完善，造成了氫燃料電池（chí）車推（tuī）廣力度不足的現狀。

 

　　儲氫環節是限製（zhì）氫燃料電池推廣的關鍵因素，氣液儲氫（qīng）兩種方式顯然都無法滿足車載用能源動力的要求。用氫與材料反應生成氫化物的固態儲氫則是（shì）一種較為理想的儲氫（qīng）方式。

　　

　　部分氫化物的儲氫性能

　　 固（gù）態（tài）儲氫具有儲氫密度高（gāo）、操作方（fāng）便、安全性好（hǎo）等優點，能有效克服氣液兩種存儲方式的不足。儲氫材料主要包括物理吸（xī）附類材料、金屬基儲氫合金和配位（wèi）氫化物等。金屬（shǔ）氫化物儲氫材料的單位體積儲氫密度是相同（tóng）溫度、壓力（lì）條（tiáo）件下氣態氫的1 000倍左右，而且氫是以原（yuán）子的形式儲存在材料中，吸放氫過程受熱效應和速度所限製，具有高度的安全性。但絕大部（bù）分金（jīn）屬氫化物的重（chóng）量儲氫量僅為 1 wt %～ 3 wt %，重量儲氫容（róng）量還有（yǒu）待於進（jìn）一步提高（gāo）。今後的儲氫技術研究的重點，將是高性能高（gāo）容量（liàng）儲氫材料（liào）的開發。

 

    在氫燃料電池車的發展上，雖然各國政（zhèng）府（fǔ），部分車企已經開展了氫能（néng）源的廣泛研究，在（zài）多年的研（yán）究中，也取得了較大進展。但是，氫燃料電池的安全等問題（tí）也在（zài）製約著該技術（shù）的快速發展。氫燃料電池的安全問題一直以來飽受業內外人士的質疑，在過去的5-10年裏，各（gè）企業在（zài）氫（qīng）能源汽車的研（yán）究方向重點也放在了如何保障其安全性能上。通過技術的不斷更新迭代，以及不斷地試驗演（yǎn）化，安全可能減少甚至消除燃料電池的安全性引發的不安和質疑。

 

　　儲（chǔ）氫材料的（de）研究曆史

 

　　20世紀60年代末美國Brookhaven國（guó）家實驗室和荷蘭Philips公司分別發現 Mg2 Ni和LaNi 5具有良好的儲氫特性，並迅速應（yīng）用在氫（qīng）的儲存、淨化、分離、壓縮、熱泵和金屬氫化物鎳（Ni/MH）二次電池。

 

　　進入20世紀 90年代，隨（suí）著氫燃料電（diàn）池汽車的發展，為實現燃氫汽車與燃油汽車相（xiàng）近（jìn）的（de）性（xìng）能指（zhǐ）標，對高容量儲氫材料的需（xū）求與（yǔ）日俱增。傳統的間隙式金屬（shǔ）氫化物的儲（chǔ）氫量一般小於3 wt %，不能滿（mǎn）足車載氫源係統的要求。

 

　　2009 年，美國能源部（DOE）在燃料電池（chí）技（jì）術（shù）的發展和人們對新能源汽車的最（zuì）新要求的基（jī）礎上 ,對車載氫源係統提出（chū）了最新目標 ,如下表所示：

 

　　表1.美（měi）國能源部（DOE）規定的輕型汽車用（yòng）氫源係統的部分技術參數（2009年）

　　

　　為達到可逆儲氫量 5 .0 wt %～ 5 .5 wt %的目標,人們（men）將研究重點主要集中在了由輕元素組成的氫化物材（cái）料上。1997 年（nián），德國馬普研究所的Bogdanovic′和（hé） Schwichardi發現添加Ti基催化劑的NaAlH 4可以在100～200℃範圍內實現可逆地（dì）吸放氫，氫量可（kě）達5.6 wt %，激起了國（guó）際上（shàng）對輕金屬配位氫化物的研究熱潮。

　　

　　         高容量儲氫材（cái）料的（de）理論儲氫量（liàng）

　　目前，開發中的高（gāo）容量儲氫（qīng）材料主要包（bāo）括：金（jīn）屬鋁氫化物、金屬硼氫化（huà）物、金（jīn）屬氮氫化物和氨基硼烷化合物等，這些材料（liào）的儲氫量在 5 .8 wt %～ 19 .6 wt %之間（如圖），是最有希望滿足美（měi）國DOE對輕型汽車用車載儲氫係統最新要求的儲氫介質。

 

　　 金屬鋁氫化物

　　

 

　　金屬鋁氫化物（AlH3）材料具有較高的理論儲氫容量10.1wt%和體積能量密度149kg/m3，可以實現在（zài）較（jiào）低溫度60-150℃放氫，並具有釋放（fàng）大量氫氣等優點。金屬鋁氫化物的（de）吸放氫過程是通過Al-H 鍵（jiàn）的鍵合和斷裂實現（xiàn）的 , 它包括一係列的分（fèn）解反應。以輕質金屬配位氫化物NaAlH 4 為例（lì）,它的分解放氫反應（yīng）分為三步：

　　

　　3NaAlH4——Na3AlH6+2Al+3H2     （1）

　　Na3AlH6——3NaH+Al+1.5H2       （2）

　　3NaH——3Na+1.5H2             （3）

　　

　　加入催化劑後，上述反應溫度可降低至100℃左右，且能夠可逆進（jìn）行，反應放出的氫（qīng）氣純度（dù）也較高，無副（fù）產物。目前,金屬鋁氫化物儲氫材料的研（yán）究主要集中在高效催化劑的優化篩選、催化機理的研究探索 、尺（chǐ）寸效應對（duì）材料吸放氫動力（lì）學性（xìng）能的（de）影響以及新（xīn）型金（jīn）屬配位鋁氫（qīng）化物儲氫材料（liào）的合成上。高效催化劑除了傳統的Ti 基催（cuī）化劑以外，過渡金屬和稀土金屬（shǔ）的添加對 NaAlH 4 儲氫（qīng）性能也有較（jiào）大影響。

 

　　金屬硼氫化物

　　

　　

　　金屬硼氫化物是一類（lèi）包含有[ BH 4 ] 配位（wèi）基團的複合金（jīn）屬氫化物 ,如有（yǒu） LiBH 4 ,NaBH 4 ,Mg(BH 4 ) 2 ,Ca(BH 4 ) 4 等，其中（zhōng）LiBH4和NaBH4的含（hán）氫量分別高達（dá）18.4wt％和 10.8wt％。因為（wéi）金屬硼氫化物的氫含量均超過 10 wt %，從而成為高容量儲氫材料的研究重（chóng）點，但是它們的熱力學性質非常（cháng）穩定，反應動力學（xué）緩慢，限製（zhì）了它們的的實際應用。

 

　　去（qù）穩定性、催化劑（jì）添加、空間納米約束以及新型金屬硼氫化物的合成是目前金屬硼氫化物儲氫材料的主要研究內容。研究發現，通過複合（hé） LiBH 4 與（yǔ）MgH2 ,CaH2 或 Al，均可以顯著改善 LiBH 4 的吸（xī）放氫可逆性。

 

　　氨硼烷

　　

　　

　　氨硼烷（分子（zǐ）式（shì）NH3BH3）是（shì）一種無毒的化合物，具有高儲氫（qīng）含量（19.6 wt%）和良好（hǎo）的室（shì）溫穩定性，且在水（shuǐ）中具有高的（de）溶解度（33.6g），可以作為氫燃料電池的固態（tài）儲氫（qīng）材料；但缺點（diǎn）是釋放（fàng）的氫不（bú）夠多，而且循環性能（néng）差。

 

　　為了（le）解決這些困難，研究人員（yuán）以氨硼烷為（wéi）核心開發一種新的催化劑體係，在此催化劑的作用下，氨硼烷70℃下能釋放約4.6 wt%的氫，且能實現可逆加氫；而在THF溶液中，NH3 BH3 /Li H混（hún）合物在40℃時即可放出14 wt %的氫。在金（jīn）屬氨基硼（péng）烷化合物的研究上，新型金（jīn）屬氨基硼烷的（de）合成（chéng）、結構分析、放氫性能（néng）測試以（yǐ）及催化改性是目前的（de）主要（yào）研究內容。 

 

　　金屬氮氫化（huà）物（wù）

　　

　　金屬（shǔ）氮氫化物是2002年才被引入儲氫材料研究領（lǐng）域的一種新型高容量儲氫體係，它是一類由金屬氨基化（huà）物和金（jīn）屬（shǔ）氫化（huà）物組成的複合儲氫體係，典型的（de）包括LiNH 2 /LiH，Mg (NH 2 ) 2 /LiH，Ca (NH 2 ) 2 /LiH 和LiNH 2 /LiBH 4 等。2002年，Chen等首次發現了Li 3 N能夠可逆（nì）地吸放（fàng）高達11 .4 wt %的氫，這引起了儲氫材料領域研究人員（yuán）的廣泛關注，開創了新型（xíng）金屬（shǔ）氮（dàn）氫化物儲氫（qīng）材（cái）料的研究熱潮。

 

　　研究（jiū）人員采用Mg元素部分（fèn）替代Li元素（sù），開發出了Li-Mg-N-H體係儲氫材料。他們發現Mg(NH 2 ) 2 -2LiH材（cái）料（liào）在200℃，6 MPa的條件下可以可逆地（dì）儲放5.5 wt %的氫，放氫溫度較Li-N-H體係明顯降低，工作溫度僅為90℃左右，已經滿足質子交換膜燃料（liào）電池(PEMFC)對車載氫源（yuán）係統操作溫度的要求，因此這種材料被認為是近期最（zuì）有希望實用化（huà）的車載氫源材料。

 

　　目前儲氫材料主要集中（zhōng）在（zài）開發新材料或對原有材料進行改性，對不同儲氫材料（liào）的儲氫機理有待於進一步研（yán）究。盡管儲（chǔ）氫材料的研究取得了許多進展，但現有的主要儲氫材料（liào）均（jun1）存在不同程度的（de）缺陷，離氫能技術的規模化應用尚有相（xiàng）當長的距（jù）離。開（kāi）發安全穩定高效、循環壽命長的儲氫（qīng）材料，實現固體儲氫（qīng）材料的工業（yè）化製備是未來儲氫材料研究的主要方向。

 

　　知（zhī）名氫燃料電池車型

 

　　寶馬Hydrogen7

 

　　早在2006年，寶馬氫（qīng）動力Hydrogen7就已經試運行。奔馳、寶馬公司發（fā）布各自氫燃料係（xì）列車型，續航裏程最大已經到500km級別。

　　

　　韓國現代NEXO

 

　　韓國現代最新推出的（de）第二代FCEV產品——NEXO，以SUV為（wéi）基（jī）底的商品車，續（xù）航超過600km，加氫用（yòng）時（shí）< 5 min。

　　

　　本田CLARITY

 

　　本田CLARITY，據稱是可以與豐田（tián）的MIRAI相媲美（měi）的氫燃料電池車型（xíng）。CLARITY大（dà）概需要約3分鍾就可以加滿氫能料，最高時速也可達到165km/h，最大續航裏（lǐ）程為750km。

　　

　　豐田Miral

 

　　豐田的Miral係列，Mirai所使用的聚酰胺聯線外加輕質金屬（shǔ）的高壓（yā）儲氫罐可以承受70MPa壓力，充滿Mirai的儲（chǔ）氫罐（guàn）大約需要3-5分鍾，在（zài）JC08工況下，Mirai的氫儲量可以支持700公裏續航裏程。

　　

　　氫（qīng）燃料電池（chí）行業相關（guān）廠商

　　

　　

　　未來前景可期

 

　　氫燃料電池不但在汽車上（shàng）可作為汽車的綠色動力（lì）源,在工業上也可作為一個大（dà）型氫燃料（liào）發電站 , 前景不言（yán）而喻（yù）。新能源汽車發展（zhǎn）迅（xùn）猛，現階段的氫燃料動力電池，在充電速度、續航（háng）裏程、重量控（kòng）製、低溫性能等方麵已（yǐ）經有了很大的提升。相信隨著高（gāo）容量儲氫材料的進一步的探究與發展，未來氫燃料汽車的（de）良（liáng）好（hǎo）發展能夠促進能源係統朝低碳清潔方向的轉型。

 

 

來源: 新材料在線、OFweek網（wǎng）