第26卷第6期Vo l.26,No.6
滨州学院学报
Journal of Binzho u University
2010年12月Dec.,2010
氢燃料内燃机车与氢燃料电池车
应用前景比较
收稿日期:2010-09-25
基金项目:滨州学院科研基金项目(BZXY G1003)
第一作者简介:尚明伟(1981-),男,河南开封人,助教,硕士,主要从事氢燃料内燃机的燃烧与优化控制研究,E O mail:shang mingw ei415@163.co m.
尚明伟,崔 鹏,石爱平
(滨州学院自动化系,山东滨州256603)
摘 要:综述了国内外氢燃料内燃机车和氢燃料电池车的研究现状及发展趋势,并对二者的应用前景进行了比较.通过比较找出了二者的区别和联系,得出了氢燃料内燃机车是氢燃料电池车的过渡产品,氢燃料电池车是最终的发展方向这一结论. 关键词:氢燃料内燃机车;氢燃料电池车;应用前景比较
中图分类号:TK 91 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2010)06-0108-05
0 引言
当前,化石燃料(石油、煤、天然气等)日益枯竭,其价格也日益攀升,世界各国都开始实行能源多样化战略,加大新能源研发力度.而在各种新能源中,太阳能、风能不稳定,氢能源是目前最有可能实现实用的新能源.据相关调查显示,2004年至2008年,工业化国家在氢能领域的开发投入年均递增20.5%,各国对氢能实际利用的开发硕果累累,下一次工业革命的幻想也似乎越来越逼真[1].
氢能源具有资源丰富、来源多样、环保性高、可再生性强等优点,可以同时满足资源、环境和持续发展的要求,这是其他能源所不能比拟的.因此可以说,氢能是人类未来的能源[2].
氢作为车用能源有两种主流的转化方式.一种是以现有车用内燃机为基础的燃用氢的车用发动机;另一种是以质子交换方式的车用燃料电池发动机[3].近几年来随着技术的突破,氢燃料内燃机车和氢燃料电车都得到了迅速发展,一跃成为汽车行业注目的焦点,它们正在开启并引领一个新的汽车革命时代.
1 氢燃料内燃机
氢燃料汽车使用的是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料进行燃烧,产生动力的内燃机.氢燃料燃烧产物只有水和氮氧化物,不会产生颗粒、积碳等,从而大大减少了发动机的磨损,减轻了润滑油被污染的程度,可以认为是发动机最清洁的燃料.燃氢汽车不污染环境,是一种环境友好的绿色交通工具.国内外为此展开了技术竞赛,都想在这一领域独占鳌头.1.1 国外氢燃料内燃机车发展概况
国外对氢燃料内燃机车的研究起步比较早.早在19世纪中期,人们就开始对用氢来作为发动机的燃料发生兴趣.到20世纪初,该项研究取得一些进展.英国学者Ricardo 和Burstoll 第一次认真全面研究了氢发动机,两人用了20年对氢发动机的燃烧和工作过程进行了详细的研究[4].20世纪80年代以来,由于国际石油价格上涨,人们开始对氢内燃机投入更多的热情.日本、美国和德国等国家开展了大量的研究工作,其中以日本武藏工业大学与尼桑公司于1990年合作研制成功的/武藏汽车0
第6期尚明伟,崔鹏,石爱平氢燃料内燃机车与氢燃料电池车应用前景比较
液氢汽车为代表.
2001年以来,世界各大主要汽车制造商相继推出了自己豪华的氢燃料内燃机车,这使得氢燃料内燃机车的研究及应用步入了新的台阶.
福特于2001年推出了第一辆氢燃料内燃机试验车,在此后的多次车展中相继展出了多款氢燃料概念车.又于2006年推出面向客户的氢燃料内燃机车,这是一款氢燃料6.8LV10发动机,用于装备福特E-450氢燃料机场往返客车.这类客车旨在以后快速发送乘客,首先在佛罗里达州运行,然后在北美其他地区推广.同时,福特也正在开展下一代氢燃料内燃机的研究,包括提高功率和燃油经济性的直喷技术[5].
2007年3月份,从慕尼黑、布鲁塞尔和华盛顿传出令人振奋的消息.10个欧洲合作伙伴成功完成了氢燃料内燃机项目)))历经3年,实现对氢燃料内燃机的优化.该项目由欧盟委员会发起并推广,项目研发出一款氢燃料内燃机,这款发动机比其他驱动系统在性能和成本上更具鲜明优势.该项目由宝马集团研究和技术中心负责协调,提出两种燃气混合模式的概念,这两种模式已在乘用车和城市巴士的发动机上得到验证,必要的关键性部件也同时研发.同时,在氢燃烧过程中应用了相关模拟工具,用以支持以后生产的发动机开发进程[6].
2007年6月19日,宝马在北京召开了BM W氢能7系的发布会.宝马推出世界第一款供日常使用的氢动力豪华高性能轿车BM W氢能7系.BM W 氢能7系完美结合了氢技术及典型的BM W轿车的动态性能和驾驶表现,并展示了氢能驱动技术的巨大潜力,是宝马集团致力于未来世界个体机动性可持续发展的有力证明.这是宝马集团,乃至整个汽车与能源行业向不依赖矿物燃料的可持续机动化产业时代迈进的一个里程碑.
1.2国内氢燃料内燃机车发展概况
我国对氢燃料内燃机车的研究和开发起步比较晚,但是发展非常迅速.尤其是近年来,各高校、企业和科研院所关于氢燃料内燃机点火成功的捷报不断传出[7].
2006年1月,国内首台纯氢气内燃机在江奎科技有限公司实验室运行成功[8].2006年10月,北京理工大学攻克了综合电子控制、运行安全技术、氮氧排放控制等难关,成功开发出了具有超低排放的氢燃料内燃机样机,为我国氢能应用技术开辟了一个新的领域[9].2007年1月,由镇江江奎科技、清华大学、奇瑞汽车三方自主研发的/示范性氢燃料轿车研制项目0正式通过国家级专家组评审,标志着国内第1台以氢燃料为动力的国产轿车正式研制成功.专家组评审后认定:该项目攻克了目前国际上存在的三大技术难题,且具有完全自主知识产权[10].2007年6月18日,我国自主研制的第1台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功地实现点火.高效低排放氢内燃机是国家/8630计划唯一立项的氢燃料重点项目,它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术已经获得了突破性的进展,为氢内燃机的产业化奠定了基础.长安氢内燃机的成功点火,不仅标志着长安的氢内燃机技术已达到国际先进水平,长安汽车坚持自主创新又取得了新的成果更重要的是,长安氢内燃机的成功研发,将对中国汽车工业新能源的开发利用和中国节能环保事业的发展起到积极的推动与促进作用[11].
1.3氢燃料内燃机车应用前景
一是,从技术的角度来看,今后氢燃料发动机的研究与发展也将围绕燃烧机理进行.不同运转参数和结构参数下氢发动机的燃烧规律及它们对发动机性能的影响规律、异常燃烧机理及氮氧化物产生机理的研究仍是重要的研究内容.采用缸内喷射,特别是缸内高压喷射液氢的氢发动机是主要的研究对象.高压喷射氢燃料发动机的优点是不会发生回火、早燃,而且压缩比可提高至12~15,从而提高功率和改善热效率,且可以适用于大缸径发动机[12-17].关于高压直喷氢燃料技术最近两年有了技术上的改进.二是,从基础设施的角度,氢燃料内燃机车要想大规模的应用必须有强大的加氢站网络做支撑以及廉价的氢制取成本作保证.现在世界上已有十多个加氢站,我国首都北京已建成一座加氢站,上海的加氢站也已建成,但这远远不够.所以以后应该加大建设加氢站的力度和积极寻找新的廉价的能够大规模获取氢的制取方法.三是,车载贮存技术有待进一步突破.尽管氢燃料内燃机车距大规模应用,还有一段距离,但是其前景是非常诱人的.我们知道,氢能源经济是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一,氢燃料内燃机是实现
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氢能源经济的有效措施之一[6].
2氢燃料电池车
早在1839年,William Robent Gro ve爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理,能够从氢气和氧气中获取电能.但是由于氢气不能从自然界直接得到,所以燃料电池的发展就一直停滞不前.直到20世纪60年代,宇宙飞行的发展,才使燃料电池技术重又提到议事日程上来.对能保护环境的能源供应的需求,激发了人们对燃料电池技术的兴趣[18].
2.1国外氢燃料电池车发展概况
据2003年6月最新统计,目前世界上已经有20余家汽车公司90多种车型的燃料电池汽车问世.迄今为止推出的燃料电池汽车中,压缩氢气最受关注,这主要是因为这种车型的燃料供给在技术性上最为简单可行.各公司出产的FCV(燃料电池车)从续驶里程、最大时速,到燃油经济性,乃至储氢的压力等方面,都取得了较大进展,让人们对燃料电池汽车的未来充满信心[19].
目前日本、韩国和美国等发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目,企业界也纷纷斥以巨资,从事燃料电池技术的研究与开发,现在已取了许多重要成果,使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上[20].
2.2国内氢燃料电池车发展概况
我国的燃料电池研究始于1958年,经过近50年的积累与发展,已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍.尤其在PEMFC(质子交换膜燃料电池)方面,总体水平与先进国家的差距正在缩小.
2006年6月9日至12日,上海自主研发的燃料电池轿车/超越3号0参加了在法国巴黎举行的第8届必比登清洁能源汽车挑战赛,顺利通过全部比赛项目,取得了优异成绩,并且完成了120km的拉力赛.国际技术委员会(IT C)成员、法国汽车协会主席多奥先生在演讲中称赞说,尽管各国对于何时实现氢经济还有争论,但是燃料电池汽车的进步是十分明显的,特别是中国上海的燃料电池汽车技术,与世界上任何国家的燃料电池汽车技术没有差距,而且我们知道,这完全是他们自主开发的[21].
我国传统汽车工业发展滞后,发展燃料电池汽车是赶超世界汽车工业先进水平的唯一出路.目前主要汽车生产厂商都在抢占燃料电池汽车技术制高点和市场先机,我们要及时把握燃料电池技术与世界先进水平差距不大这一优势,只争朝夕,尽快将燃料电池汽车推向市场.我国政府无论从技术上还是从实用化方面,在推进绿色环保汽车方面都已做出了巨大努力和卓有成效的工作.但是,要使燃料电池走向市场,成为21世纪造福人民的一项宏伟工程,还应该仿效美日欧等国家的做法,在基础设施、税收政策等方面作进一步的工作.世界主要汽车厂商和能源公司在氢能方面投入巨资进行研发.与时俱进,不断创新,是一个企业生存和发展的不竭动力.PEMFC电动汽车在各类电动汽车发展中有明显的优势,应加强PEMFC发动机系统及其装车技术的研究.大批量制取氢气实用化技术对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义.从我国的实际看,利用剩余水电制氢和生物质能制氢是未来发展之路.燃料电池技术同样也可以把中国的汽车工业带向世界前列,为全面建设小康社会作出贡献[22].
2.3氢燃料电池车应用前景
氢燃料电池的优点是令人难以想象的,如果使纯氢气,它的生产产物只有水,无污染、无噪声、效率高、响应性好等.氢燃料电池不但在汽车上可作为汽车的绿色动力源,而且在工业上也可作为一个大型氢燃料发电站,前景是不言而喻的.整个氢能系统技术中的燃料电池,被加拿大著名科学家斯科特比喻为能源系统的/芯片0,即能源供应中起着重要的关键作用,它进而延伸至整个国民经济和社会发展,以及人民生活中起着不可或缺的重要作用[23].
近年来,燃料电池汽车的迅猛发展和商业化的推进席卷了整个世界,其高效节能,以及零排放或接近零排放的良好环境性能,使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点.随着国际各大汽车生产商和石油巨头的积极参与,从资金到技术的大力投入,燃料电池汽车已经走出实验室,开始商业化旅程.很多专家更是乐观地认为,燃料电池汽车将引发汽车工业的革命,最终取代传统内燃机车成为主流[19].
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3氢燃料内燃机车与电池车比较
3.1氢燃料内燃机车与电池车的区别
燃料电池汽车的动力总成与普通内燃机汽车的动力总成完全不一致.作为汽车动力,燃料电池以其功率大、效率高和无污染等优点被认为是替代石油燃料发动机的理想解决方案之一.但其价格昂贵,使用不便,续驶里程及寿命有限,近期内很难达到实用化水平.相对而言,氢燃料发动机的实用化较易实现,对传统内燃机的结构做不大的改动就可以燃烧氢,而人类对内燃机的应用已有相当成熟的经验.此外,氢燃料用于汽车时性能优越,被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料[12].
3.2氢燃料内燃机车与电池车的联系
氢燃料发动机汽车和燃料电池汽车的研究均已经得到各国科学家和工程师的广泛关注.燃料电池电动汽车和氢燃料发动机汽车在车载氢源等方面的共性之处使二者的研究开发技术相互促进.因此,氢燃料汽车作为燃料电池电动汽车的过渡车型将被汽车制造商所青睐而率先进入市场,有着广阔的应用前景.
4结论
当前,随着汽车保有量的增加,传统化石燃料汽车的发展已经暴露出了一些问题,其中比较突出的是化石燃料储量不足问题和环境污染加重问题.在这种情景下就要积极寻找一种既要环保又要储量丰富的替代能源.大量研究和事实经证明,氢能源就是这样一种很好的替代产品.鉴于此,世界上主要汽车大国都已投入了大量的人力和财力进行车用氢能源的研究和开发.氢燃料内燃机车和氢燃料电池车是目前车用氢能源的两种主要形式.
从社会的发展趋势来看,在氢燃料内燃机车和氢燃料电池车这两者中,氢燃料电池车将是最终的发展方向.但是就目前而言,由于氢燃料内燃机自身的一些特性:有良好的生产、使用基础和技术上的成熟经验,并且造价低廉,氢燃料内燃机车具有很强的竞争力.氢燃料内燃机车在将来一段时间作为氢燃料电池车的过渡产品是一个相当可行的方案.
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The Comparison about Application Prospects between Hydrogen O fueled
IC Engine Cars and Hydrogen O fueled Cell Cars
SH ANG M ing O w ei,CU I Peng,SH I Ai O ping
(Dep artment of A utomation,Binz hou Univer sity,Binz hou256603,China)
Abstract:This paper summ ar ized the study status quo and development trend betw een hy dro gen O fu-eled IC engine cars and hy drog en O fueled cell cars at hom e and abroad,and made a co mpar ison abo ut their application pro spects.Accor ding to the com pariso n,the author found o ut the differ ence and co nnectio n a-bout them.Finally,it is co ncluded that hydrog en O fueled IC eng ine cars is the transition pr oduct o f hydro-g en O fueled cell cars,and hydrog en O fueled cell cars is the final dev elo pm ent direction about eng ine in the future.
Key words:hy dro gen O fueled IC engine cars;hy dro gen O fueled cell car s;application prospects com par-i son
(责任编辑:贾晶晶)
氢燃料电池应用于无人机行业面临的几大核心问题 来源：宇辰网 自4月10日，无人机企业科比特航空发布HYDrone-1800的多旋翼无人机以来，整个行业就沸腾起来，不断争论氢燃料动力系统目前是否能应用在工业级无人机行业。笔者就此总结了目前关于氢燃料电池大家争论的几个核心问题： 1.氢燃料电池技术是否成熟 2.氢气的来源问题 3.氢气的存储及安全问题 带着这些问题，笔者查阅了一些文章，采访了多位电力系统的专家，在这里粗浅地谈一下氢燃料电池在无人机行业的应用情况。 首先，氢燃料电池不是什么新技术 不管在国内还是国外，不管是航空还是汽车，氢燃料电池都不算是新技术了。 早在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，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日成功试飞一架以氢燃料电池为动力源的小型飞机。 2008年奥运会期间，上海大众提供了20辆帕萨特领驭氢燃料电池汽车，作为奥运之行的“绿色车队”。 在2015年初的美国拉斯维加斯消费电子展（CES）上，丰田宣布14年底量产的氢燃料电池汽车Mirai将于晚些时候正式商用，并宣布免费开放与燃料电池相关的全部专利；2015年东京车展上，本田发布了氢燃料电池车Clarity，号称续航700km。除此外，雷克萨斯、奔驰等一众国际豪华汽车品牌纷纷推出了自己的氢燃料电池车。 虽然车展样车和实用性技术还有一定的差距，但氢能被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁，实现能源可持续供给和循环的重要能源载体之一。 那么，氢能源的工作原理是什么 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，氢在阳极变成氢离子（质子）通过电解质转移到阴极，同时放出电子通过外部的负载到达阴极，与氧气发生反应生成水。
氢氧燃料电池性能测试 实验报告 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
氢氧燃料电池性能测 试实验报告 学号： 姓名：冯铖炼 指导老师：索艳格 一、实验目的 1.了解燃料电池工作原理 2.通过记录电池的放电特性，熟悉燃料电池极化特性 3.研究燃料电池功率和放电电流、燃料浓度的关系 4.熟悉电子负载、直流电源的操作 二、工作原理 氢氧燃料电池以氢气作燃料为还原剂，氧气作氧化剂氢氧燃料电池，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。 氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。
工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（氧气）。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。 氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的装置氢氧燃料电池的反应物都在电池外部它只是提供一个反应的容器 氢气和氧气都可以由电池外提供燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。 具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，2013年正发展为直接使用固体的电解质。 工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。当氢离子进入电解液中，而电子就沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。此过程水可以得到重复利用，发电原理与可夜间使用的太阳能电池有异曲同工之妙。 燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种"发电机"。 一般来讲，书写燃料电池的化学反应方程式，需要高度注意电解质的酸碱性。在正、负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系。如氢—氧燃料电池有酸式和碱式两种： 若电解质溶液是碱、盐溶液则
（二零一二年十二月） 2020-2025年中国氢燃料电池行业经营发展战略制定与实施研究报告 可落地执行的实战解决方案 让每个人都能成为 战略专家 管理专家 行业专家 ……
报告目录 第一章企业经营发展战略概述 (9) 第一节企业经营发展战略的重要性及意义 (9) 一、是决定企业经营活动成败的关键性因素 (9) 二、是实现企业快速、健康、持续发展的需要 (9) 三、是企业实现自己的理性目标的前提条件 (10) 四、是企业长久地高效发展的重要基础 (10) 五、是企业充满活力的有效保证 (10) 六、是企业及其所有企业员工的行动纲领 (11) 七、是企业扩展市场、高效持续发展的有效途径 (11) 八、是执行层行动的指南 (11) 第二节制定实施企业经营发展战略的作用 (11) 一、有助于企业准确判断外在危机和机遇 (12) 二、有助于明确企业核心竞争力 (12) 三、有利于提升企业的持久竞争力 (12) 四、有助于企业找准市场定位 (12) 五、有助于企业内部控制、管理与执行 (13) 六、有助于优化资源，有利于实现资源价值最大化 (13) 七、有助于增强企业的凝聚力和向心力 (13) 八、有助于优化整合企业人力资源，提高企业效率 (13) 九、有助于建立品牌形象，明确目标市场 (14) 十、有助于激励员工积极主动地完成目标 (14) 第三节企业经营发展战略的特性 (14) 一、全局性 (14) 二、纲领性 (14) 三、长远性 (15) 四、导向性 (15) 五、保证性 (15) 六、超前性 (15) 七、竞争性 (15) 八、稳定性 (16) 九、风险性 (16) 第二章市场调研：2018-2019年中国氢燃料电池行业市场深度调研 (17) 第一节氢燃料电池概述 (17) 第二节我国氢燃料电池行业监管体制与发展特征 (18) 一、主管部门及管理体制 (18) 二、行业经营模式及盈利模式 (18) 三、燃料电池是一种非常有前景的能源技术 (18) 四、国内外政府出台政策支持 (19) （一）国外政府纷纷出台支持政策 (19) （二）中国政府重视燃料电池发展，大力支持发展 (22) 第三节2018-2019年中国氢燃料电池行业发展情况分析 (24)
氢燃料电池汽车项目 实施方案 规划设计/投资分析/产业运营
摘要 至2025年，基本建立完整的氢燃料电池汽车产业体系，力争全省整车产量突破1万辆，建设加氢站50座以上，基本形成布局合理的加氢网络，产业整体技术水平与国际同步，成为我国氢燃料电池汽车发展的重要创新策源地。 氢燃料电池汽车（FCV，Fuel Cell Vehicles）具有清洁零排放、续驶里程长、加注时间短的特点，发展氢燃料电池汽车是顺应全球新能源技术变革、占领产业制高点的重要突破口，是应对国家能源安全、环境保护等战略的重要立足点，是推进我省制造业高质量发展走在前列的重要支撑点。。 氢燃料电池汽车（FCV，Fuel Cell Vehicles）具有清洁零排放、续驶里程长、加注时间短的特点，发展氢燃料电池汽车是顺应全球新能源技术变革、占领产业制高点的重要突破口，是应对国家能源安全、环境保护等战略的重要立足点，是推进我省制造业高质量发展走在前列的重要支撑点。。 该氢燃料电池汽车项目计划总投资11932.99万元，其中：固定资产投资9650.94万元，占项目总投资的80.88%；流动资金2282.05万元，占项目总投资的19.12%。
达产年营业收入18790.00万元，总成本费用14284.41万元，税 金及附加233.69万元，利润总额4505.59万元，利税总额5360.74万元，税后净利润3379.19万元，达产年纳税总额1981.55万元；达产 年投资利润率37.76%，投资利税率44.92%，投资回报率28.32%，全部投资回收期5.03年，提供就业职位309个。 充分依托项目承办单位现有的资源或社会公共设施，以降低投资，加快项目建设进度，采取切实可行的措施节约用水。贯彻主体工程与 环境保护、劳动安全和工业卫生、消防工程“同时设计、同时建设、 同时投产”的总体规划与建设要求。
氢燃料电池的特点及应用 2009-04-08 16:06出处：比特网论坛作者：lijing【我要评论】[导读]燃料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 企业数据中心每周热点文章 下载数据中心白皮书赢取指纹U盘下载刀片服务器解决方案赢取ThinkPad笔记本灵活多变的数据中心机柜解决方案(视频) IT管理人员眼中的动态架构 Gartner 电源管理的节能展望云运算开放宣言各方看法不一 料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 1 现在通信站后备电源的解决方案 现在的通信站通常都是由市电供电,采用铅酸蓄电池作为主要的后备电源,其初次投资比较低。但蓄电池的维护及管理成本较高,特别是在环境不好的情况下,成本更高;并且蓄电池使用寿命短;如不能有效监控其工作状况,常常导致蓄电池在真正需要的时候不能有效供电,造成通信中断。 2 燃料电池技术 燃料电池是电化学装置,能够将氢和氧的化学能转变为电能,并且没有污染,无有害物质排放。PEM型燃料电池(质子交换膜燃料电池)由两个电极(阴极和阳极)组成,通过聚合膜联系起来。 气态氢被送到膜的阳极,空气被送到阴极,氢原子在阳极侧被剥离电子,带正电荷的质子穿过膜到达阴极。为使该反应发生,须使用铂金催化剂。氢的电子通过外部回路从阳极到达阴极,产生了电流,在阴极,电子、质子和空气中的氧结合产生水,是燃料电池的主要副产品,如图1所示。 图1 燃料电池的工作原理图 3 燃料电池的优势 (1)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
青海成立年产xx套氢燃料电池公司 可行性报告 规划设计/投资方案/产业运营
报告摘要说明 氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置，通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的氧气（空气）的化学能转化为电能。燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成，其中膜电极组件是由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成的，为反应发生场所；双极板是带流道的金属或石墨薄板，其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热。 xxx科技公司由xxx集团（以下简称“A公司”）与xxx科技发展公司（以下简称“B公司”）共同出资成立，其中：A公司出资170.0万元，占公司股份75%；B公司出资60.0万元，占公司股份25%。 xxx科技公司以氢燃料电池产业为核心，依托A公司的渠道资源和B公司的行业经验，xxx科技公司将快速形成行业竞争力，通过3-5年的发展，成为区域内行业龙头，带动并促进全行业的发展。 xxx科技公司计划总投资2505.98万元，其中：固定资产投资1823.70万元，占总投资的72.77%；流动资金682.28万元，占总投资的27.23%。 根据规划，xxx科技公司正常经营年份可实现营业收入6395.00万元，总成本费用4930.85万元，税金及附加53.64万元，利润总额1464.15万元，利税总额1719.74万元，税后净利润1098.11万元，纳
税总额621.63万元，投资利润率58.43%，投资利税率68.63%，投资 回报率43.82%，全部投资回收期3.78年，提供就业职位101个。 2018年2月的《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》指出，我国燃料电池汽车补贴力度保持不变，燃料电池乘用车按燃料 电池系统的额定功率进行补贴，燃料电池客车和专用车采用定额补贴方式。除此之外，在2018年我国各省市政府部门也相继出台了一系列燃料电池补 贴和扶持政策，可以看出我国各级部门开始重视氢燃料电池车的基础设施 建设。但就从现阶段我国电动车消费者的反应来看，我国电动汽车行业仍 存在着4个痛点，而国内各级政府部门关于燃料电池的一系列补贴及扶持 就是为了解决这几个痛点。根据氢能与燃料电池白皮书内容，未来我国燃 料电池技术将朝4个方向发展。
氢能备用电源市场前景可观近年来，壳牌石油公司和通用汽车公司在美国大力研发新能源汽车，并在华盛顿特区、纽约等地广泛设立氢燃料加油站。 氢能在污染排放、生产成本和资源丰富性方面具有其他能源无法比拟的优势，但这种被称为“终极能源”的能源，为何在我国遭遇了产业困境？ 3月7日，冬寒尚未褪去，现代汽车蔚山工厂氢燃料电池汽车(以下简称“氢燃料汽车”)生产工厂却已满载春意，工作人员忙着将17辆ix35氢燃料汽车装载到货按照计划，这17辆氢燃料汽车将横渡大洋，落户欧洲。其中15辆运往丹麦，2辆运往瑞典。到4月份，丹麦和瑞典有关政府机构或公共机关的一些官员，就可以乘坐氢燃料汽车进行办公。 同作为新能源汽车，电动汽车经历了数十年的推广，成效并不令人满意。亚洲、欧洲和北美的汽车行业高管们有意将目光投向了氢燃料汽车。据悉，宝马、福特和丰田等车企均计划在未来几年内量产并全球出售氢燃料汽车。 值得一提的是，此次现代生产的氢燃料汽车，是世界上首次成功实现批量生产的氢燃料汽车。这对于“氢燃料汽车”产业以及整个“氢能源”行业来说，无疑是一利好消息。
随着氢燃料汽车逐步向商业化进程迈进，氢能源的利用已越来越进入公众的视野。江苏中靖新能源科技有限公司(以下简称“中靖新能源”)高级副总裁袁音向《能源》记者表示，氢能源可称为“终极能源”，因其在污染、排放、使用、生产成本、可再生和资源丰富性等众多方面都具有其他能源所无法比拟的优势。 氢能源行业根据能源开发和使用的技术，更是将能源大致分为了三类：传统技术能源(化石资源、不可再生资源，如煤、石油)、中间过渡技术能源(如内燃机、核能)、终极技术能源—氢。 氢能源大有前途，但相比于国外企业的高调发展，国内企业却没有想象中的热情。在认准氢能源发展前景的新兴民营企业、高校和科研单位看来，我国应不失时机地抓住氢能源发展机遇。 资金的缺失 氢能源有两大类使用方法。第一类被称为“热化学”方法，即燃烧。另一类被称为“电化学”方法。氢燃料电池技术则属于后者，被认为是利用氢能、解决未来人类能源危机的终极方案。 “氢燃料电池是目前市场热衷度最高的氢能源利用技术。利用氢气和氧化剂在电池内的化学反应直接生产电能，具有无污染、节能、高效、安静、安全等特性，可用于新型汽车、发电站、潜艇和家庭直接
氢燃料电池项目 可研报告 规划设计/投资分析/实施方案
摘要说明— 燃料电池汽车是目前氢能源的主要应用领域之一。国际汽车制造商协会数据显示，2017年全球销售乘用车接近0.71亿辆，而势银智库数据显示2017年全球FCV（燃料电池汽车）销量3260辆（燃料电池汽车大多使用氢能源作为燃料，极少数使用其他燃料，若假设这些FCV都使用了氢气做燃料），2017年氢能源在汽车领域的渗透率也仅为0.0046%，可见在汽车应用领域氢能源产业化尚处于导入期。 该氢燃料电池项目计划总投资12676.47万元，其中：固定资产投资10300.42万元，占项目总投资的81.26%；流动资金2376.05万元，占项目总投资的18.74%。 达产年营业收入20688.00万元，总成本费用16168.24万元，税金及附加227.55万元，利润总额4519.76万元，利税总额5370.73万元，税后净利润3389.82万元，达产年纳税总额1980.91万元；达产年投资利润率35.65%，投资利税率42.37%，投资回报率26.74%，全部投资回收期5.24年，提供就业职位336个。 报告内容：项目概论、背景和必要性研究、产业分析预测、产品规划分析、选址方案、项目工程设计研究、工艺分析、项目环保研究、企业安全保护、风险防范措施、节能方案分析、实施安排、投资计划方案、项目经营效益分析、项目综合结论等。
规划设计/投资分析/产业运营
氢燃料电池项目可研报告目录 第一章项目概论 第二章背景和必要性研究 第三章产品规划分析 第四章选址方案 第五章项目工程设计研究 第六章工艺分析 第七章项目环保研究 第八章企业安全保护 第九章风险防范措施 第十章节能方案分析 第十一章实施安排 第十二章投资计划方案 第十三章项目经营效益分析 第十四章招标方案 第十五章项目综合结论
氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用 一、通信备用电源系统简介 通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。 铅酸蓄电池的优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。 当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。 鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。 二、氢燃料电池的原理 氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气（燃料）和氧气（来自空气）中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。 燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括：高效率（不受“卡诺循环”的限制）、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。 三、氢燃料电池与现有备用电源的比较 1、与铅酸电池的比较 和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括： 适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32℃或更高，这样每年可节约大量空调电费。 只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。 按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。 重量轻，不需特殊的承重处理。 占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。 寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。 安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如：当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。 2、与移动油机的比较 与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是： 自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。 低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。 四、通信备用氢燃料电池系统的应用 1、系统的接入 燃料电池系统可以布置于室内和室外，但作为通信备用电源系统，根据现有通信机房的
收稿日期:2005-11-03 作者简介:杨润红(1974-),女,北京交通大学机械与电子控制工程学院工程热物理专业硕士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性. 燃料电池的应用和发展现状 杨润红,陈允轩,陈 庚,陈梅倩,李国岫 (北京交通大学,北京100044) 摘 要:能源和环境是全人类面临的重要课题,考虑可持续发展的要求,燃料电池技术正引起能源工作者的极大关注.主要在介绍燃料电池的工作原理、发展简史、分类及特性的基础上,详细分析和论述了燃料电池的应用和研发现状,并对其发展前景作了展望. 关 键 词:燃料电池;工作原理;特性;研发现状 中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)02-0079-05 1839年,英国的William Grove 首次发现了水解过程逆反应的发电现象[1],燃料电池的概念从此开始.100多年后,英国人Francis T.Bacon 使燃料电池走出实验室,应用于人们的生产活动[2].20世纪60年代,燃料电池成功应用于航天飞行器并逐步发展到地面应用[3].今天,随着社会经济的飞速发展,随之而来的不仅是人类文明的进步,更有能源危机,生态恶化.寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人类面前的重要课题.继火力发电、原子能发电之后,燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染,燃料多样化等优点,正进一步引起世界各国的关注. 1 燃料电池的工作原理 人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等.燃料电池和普通电池相比,既有相似,又有很大的差异.它们有着相似的发电原理,在结构上都具有电解质,电极和正负极连接端子.二者的不同之处在于,燃料电池不是一个储存电能的装置,实际上是一种发电装置,它所需的化学燃料也不储存于电池内部,而是从外部供应.在燃料电池中,反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极,只要使电极在电解质中处于分隔状态,那么反应产物可同时连续不断地从电池排出,同时相应连续不断地输出电能和热能,这便利了燃料的补充,从而电池可以长时间甚至不间断地工作.人们之所以称它为燃料电池,只是由于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池,随负荷的增加,它的输出电压下降[4]. 燃料电池实际上是一个化学反应器[5],它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能.它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置,也没有直接的燃烧过程.燃料和氧化剂从外部不断输入,它就能不断地输出电能.它的反应物通常是氢和氧等燃料,它的副产品一般是无害的水和二氧化碳.燃料电池的工作不只靠电池本身,还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整 的燃料电池系统.燃料电池可以使用多种燃料,包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物,氧化剂通常使用纯氧或空气.它的基本原理相当于电解反应的逆向反应,即水的合成反应.燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用,电离成离子,由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移,在阴电极、阳电极间形成电压.当电极同外部负载构成回路时,就可向外供电(发电).图1是燃料电池的工作原理图[6]. 2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性 1839年,William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的 原理,并发明了第一个燃料电池.他把封有铂电极的玻璃管浸入稀硫酸中,电解产生氢和氧,连接外部装置,氢和氧就发生电池反应,产生电流. 1896年,W.W.Jacques 提出了用煤作为燃料电池的燃 料,但由于无法解决环境污染的问题,没有取得满意的效果. 1897年,W.Nernst 用氧化钇和氧化锆的混合物作为电 解质,制作成了固体氧化物燃料电池. 1900年,E.Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料 电池(MCFC ).此后,I.Taitelbaum 等人就此进行了一些拓展性的研究. 1902年,J.H.Reid 等人先后开始研究碱质型燃料电 池(AFC ). 1906年,F.Haber 等人用一个两面覆盖铂或金的玻璃 圆片作为电解质,与供气的管子相连,做出了固体聚合物燃料电池(SPFC )的雏形. 1952年,英国学者F.T.Bacon 在借鉴前人研究经验 的基础上研制出具有实用性的培根电池并获得专利.它的研制思路是避免采用贵金属并设法获得尽可能高的输出功率.采用双层孔径烧结镍做电极,氢氧化钾水溶液做电解质,以纯氢和纯氧为燃料及氧化剂.副产物是纯水.培根电 第21卷第2期2006年4月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.2 Apr.2006
氢燃料电池汽车的环境效益分析 石油、煤炭、天然气燃烧产物主要是二氧化碳，造成地球温度逐年升高。同时，化石燃料中还含有杂质，特别是硫、氮、磷、砷等，燃烧产物酸性，造成大气污染和酸雨，而且还导致温室效应的加剧，刺激皮肤，引起哮喘等多种呼吸道疾病。我国的能源结构以煤为主（约占75％左右），且随着经济建设的迅速发展，能源的消耗量日益增加。 针对这些情况，我们必须找到一种储量大、后续性强、热效率高、储存形式多的环保型清洁能源，氢能源正是这样一种优质能源。在石化燃料日益减少的情况下，我国能源本来就不占优势再加之人均资源占有不足，这就势必要求我国必须比其他国家更重视后续能源的开发利用，而汽车这种机动性强的现代交通工具只能采用“含能体能源”，所以氢能源无疑成为一个新兴的热点。 一、氢燃料电池车的原理 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、零污染汽车，氢燃料是完美的汽车能源！ 二、氢燃料电池车的环境效益分析 1 氢燃料电池汽车的优势分析 （1）从长远来看，汽车产业肯定要走一条可持续发展的道路，石油、天然气、煤炭等资源不可再生，终究会有枯竭的一天，人类最终必然要利用可再生能源或者替代能源。而氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧），氢气燃烧热值是28900千卡/公斤，而且氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，取之不尽，用之不竭。氢作为汽车代用燃料具有良好的行进加速性、燃料适应性、低温起动性好、超低排放、全工况高效率等优点。
氢燃料电池项目可行性研究报告 投资分析/实施方案
氢燃料电池项目可行性研究报告 目前以燃料电池技术为基础的应用已经很广阔，现阶段主要分布在叉、固定式和便携式三个方面，燃料电池车正在大力推进中，未来将遍及所有 能源相关下游包括汽车、发电和储能等领域。燃料电池车相比传统汽车， 具有无污染，“零排放车”，无噪声，无传动部件的优势，相比电动车， 具有续航里程长，充电时间段，起动快（8秒钟即可达全负荷）的优势，因此非常具有发展前景。 该氢燃料电池项目计划总投资5670.49万元，其中：固定资产投资4115.98万元，占项目总投资的72.59%；流动资金1554.51万元，占项目 总投资的27.41%。 达产年营业收入11347.00万元，总成本费用8723.89万元，税金及附 加106.65万元，利润总额2623.11万元，利税总额3091.57万元，税后净 利润1967.33万元，达产年纳税总额1124.24万元；达产年投资利润率 46.26%，投资利税率54.52%，投资回报率34.69%，全部投资回收期4.38年，提供就业职位216个。 报告依据国家产业发展政策和有关部门的行业发展规划以及项目承办 单位的实际情况，按照项目的建设要求，对项目的实施在技术、经济、社 会和环境保护、安全生产等领域的科学性、合理性和可行性进行研究论证；
本报告通过对项目进行技术化和经济化比较和分析，阐述投资项目的市场必要性、技术可行性与经济合理性。 ......
氢燃料电池项目可行性研究报告目录 第一章申报单位及项目概况 一、项目申报单位概况 二、项目概况 第二章发展规划、产业政策和行业准入分析 一、发展规划分析 二、产业政策分析 三、行业准入分析 第三章资源开发及综合利用分析 一、资源开发方案。 二、资源利用方案 三、资源节约措施 第四章节能方案分析 一、用能标准和节能规范。 二、能耗状况和能耗指标分析 三、节能措施和节能效果分析 第五章建设用地、征地拆迁及移民安置分析 一、项目选址及用地方案
南京氢燃料电池汽车项目 实施方案 规划设计/投资分析/产业运营
摘要 目前中国的乘用车与国外相比还比较差一定距离，在大功率的燃料电池技术上，也有一定距离，可以说短期内，中国不具备推广应用氢燃料电池乘用车的能力，示范期还比较长。 氢燃料电池汽车（FCV，Fuel Cell Vehicles）具有清洁零排放、续驶里程长、加注时间短的特点，发展氢燃料电池汽车是顺应全球新能源技术变革、占领产业制高点的重要突破口，是应对国家能源安全、环境保护等战略的重要立足点，是推进我省制造业高质量发展走在前列的重要支撑点。。 氢燃料电池汽车（FCV，Fuel Cell Vehicles）具有清洁零排放、续驶里程长、加注时间短的特点，发展氢燃料电池汽车是顺应全球新能源技术变革、占领产业制高点的重要突破口，是应对国家能源安全、环境保护等战略的重要立足点，是推进我省制造业高质量发展走在前列的重要支撑点。。 该氢燃料电池汽车项目计划总投资20956.28万元，其中：固定资产投资15097.81万元，占项目总投资的72.04%；流动资金5858.47万元，占项目总投资的27.96%。 达产年营业收入46676.00万元，总成本费用36561.19万元，税金及附加386.86万元，利润总额10114.81万元，利税总额11896.82
万元，税后净利润7586.11万元，达产年纳税总额4310.71万元；达 产年投资利润率48.27%，投资利税率56.77%，投资回报率36.20%，全部投资回收期4.26年，提供就业职位832个。 消防、卫生及安全设施的设置必须贯彻国家关于环境保护、劳动 安全的法规和要求，符合相关行业的相关标准。项目承办单位所选择 的产品方案和技术方案应是优化的方案，以最大程度减少建设投资， 提高项目经济效益和抗风险能力。项目承办单位和项目审查管理部门，要科学论证项目的技术可靠性、项目的经济性，实事求是地做出科学 合理的研究结论。
第26卷第6期Vo l.26,No.6 滨州学院学报 Journal of Binzho u University 2010年12月Dec.,2010 氢燃料内燃机车与氢燃料电池车 应用前景比较 收稿日期:2010-09-25 基金项目:滨州学院科研基金项目(BZXY G1003) 第一作者简介:尚明伟(1981-),男,河南开封人,助教,硕士,主要从事氢燃料内燃机的燃烧与优化控制研究,E O mail:shang mingw ei415@163.co m. 尚明伟,崔 鹏,石爱平 (滨州学院自动化系,山东滨州256603) 摘 要:综述了国内外氢燃料内燃机车和氢燃料电池车的研究现状及发展趋势,并对二者的应用前景进行了比较.通过比较找出了二者的区别和联系,得出了氢燃料内燃机车是氢燃料电池车的过渡产品,氢燃料电池车是最终的发展方向这一结论. 关键词:氢燃料内燃机车;氢燃料电池车;应用前景比较 中图分类号:TK 91 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2010)06-0108-05 0 引言 当前,化石燃料(石油、煤、天然气等)日益枯竭,其价格也日益攀升,世界各国都开始实行能源多样化战略,加大新能源研发力度.而在各种新能源中,太阳能、风能不稳定,氢能源是目前最有可能实现实用的新能源.据相关调查显示,2004年至2008年,工业化国家在氢能领域的开发投入年均递增20.5%,各国对氢能实际利用的开发硕果累累,下一次工业革命的幻想也似乎越来越逼真[1]. 氢能源具有资源丰富、来源多样、环保性高、可再生性强等优点,可以同时满足资源、环境和持续发展的要求,这是其他能源所不能比拟的.因此可以说,氢能是人类未来的能源[2]. 氢作为车用能源有两种主流的转化方式.一种是以现有车用内燃机为基础的燃用氢的车用发动机;另一种是以质子交换方式的车用燃料电池发动机[3].近几年来随着技术的突破,氢燃料内燃机车和氢燃料电车都得到了迅速发展,一跃成为汽车行业注目的焦点,它们正在开启并引领一个新的汽车革命时代. 1 氢燃料内燃机 氢燃料汽车使用的是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料进行燃烧,产生动力的内燃机.氢燃料燃烧产物只有水和氮氧化物,不会产生颗粒、积碳等,从而大大减少了发动机的磨损,减轻了润滑油被污染的程度,可以认为是发动机最清洁的燃料.燃氢汽车不污染环境,是一种环境友好的绿色交通工具.国内外为此展开了技术竞赛,都想在这一领域独占鳌头.1.1 国外氢燃料内燃机车发展概况 国外对氢燃料内燃机车的研究起步比较早.早在19世纪中期,人们就开始对用氢来作为发动机的燃料发生兴趣.到20世纪初,该项研究取得一些进展.英国学者Ricardo 和Burstoll 第一次认真全面研究了氢发动机,两人用了20年对氢发动机的燃烧和工作过程进行了详细的研究[4].20世纪80年代以来,由于国际石油价格上涨,人们开始对氢内燃机投入更多的热情.日本、美国和德国等国家开展了大量的研究工作,其中以日本武藏工业大学与尼桑公司于1990年合作研制成功的/武藏汽车0
第一章：氢气的性质及在氢燃料电池备用电源系统的应用条件 第二章：安全使用氢气的标准 第三章：氢燃料电池备用电源系统中（氢）气路的配置和技术参数 第四章：可能的氢气泄漏分析 第五章：技术上检测防护和控制手段 第六章：分析与结论 第一章：氢气的性质 一、前言： 自1766年英国化学家和物理学家卡文迪士 (Cavendish，H. 1731-1810)发现氢以来，人类对氢的各种性质进行了不断深入的研究。迄今为止，氢气是人类对其性质所了解和掌握最为透彻的物质之一。 由于氢是唯一能提供既没有“温室效应”、又没有任何污染的能源，更由于氢介质用于可循环的能源系统中（氢气可以被利用产生电和热，其副产品水电解又可以得到氢），取之不尽，用之不竭，人们逐渐认识到：氢能技术将是21世纪最有前景，最能从根本上解决人类环境危机和能源危机的终极手段。 在开发和应用各种形式的氢能源技术的同时，无论是对研发的科技人员还是对于普通的使用者都有必要深入的了解氢（氢气）的各种性质。掌握它，使用它，依靠它，热爱它。
二、氢气的性质： 氢是一种化学元素，化学符号：H，原子序数是1，在元素周期表列第一位。在地球上，氢是最丰富的元素。但在自然界中，却没有纯氢的存在。氢仅存在于各种含氢的化合物之中。如：存在于水，石油，天然气，硫化氢及各种生物物质中。其中，水是最普通的含氢化合物 （H2O）。 氢的单态形式是氢气H2（Hydrogen），是双原子气体。相对分子量为2.0158。在标准状况下，氢气的密度为0.0899g/L，是所有气体中密度最小的，只有空气的1/14。在标准情况下，每克氢气的体积为11.2L。在开放的大气中，氢气将以大约20m/s的速度很快逃逸扩散。氢气难 溶于水。1体积的水中仅能溶解0.0214体积的氢气。氢气稍溶于有机溶剂。 氢气是一种无色无味无毒的气体，在通常情况下呈气态，称为气态氢或氢气。在压强为1.01 X105Pa时，固态氢熔点为：-259.14°C（13.86K），形状为雪状。而无色液态氢的沸点为：-252.80°C（20.2K）。液态氢通常称为“液氢”，其液体密度为169g/L。液氢有超导性质。 在常温下，氢气的化学性质稳定。不容易和其它物质发生化学反应。但在条件改变时（点燃、加热或使用催化剂），氢气很容易和多种物质发生化学反应。如：氢气+非金属或非金属氧 化物，氢气+活泼金属，氢气+金属氧化物，氢气+饱和烃或不饱和烃。 氢气具有易燃易爆的危险性： A）氢气能在空气中燃烧，与空气中的氧气发生化学反应，生成水： 2H2 + O2 = 2H2O 释放大量热能，其燃烧值为液化石油气的2.5倍，为汽油的3倍。可作为火箭高能燃料。 B）氢气的最小引燃能量为0.019mJ，引燃温度为400°C。要避免任何火源（包括：明火、高 温载热体、静电火花）。 C）氢气与空气混合达到一定的比例后，被点燃时会产生爆炸。这个体积分数范围叫爆炸极 限范围，指空气中所含氢气的体积占混合气体体积的百分比。氢气的爆炸极限范围是4%- 74.2%。氢气的爆炸的条件是需要严格仔细检测和防范的。当氢气浓度小于4%或者大于74.2%时，即使遇到火源，也只有燃烧而不会爆炸。 氢气具有还原性：氢气作为还原剂用于金属材料的提炼和半导体工业。 氢气的材料性质： “氢脆”是指高压氢气可以深入容器材料内部，改变材料的机械性能，引起材料脆化的现象， 分为：内部氢脆(internal hydrogen embrittlement)外部氢脆(external hydrogen embrittlement)和氢反应脆化(hydrogen reaction embrittlement). 与氢气使用者密切相关的是外部氢脆的可能性。密 切注意高压储氢容器，瓶口阀，减压阀和各种配件的选择和检查。 三、氢气的来源： 1 如上所阐述，氢气在能源可再生自循环系统中起到重要的中介作用。也就是说：氢气是一 个“能源载体”。自然界中不存在纯氢，只能从氢化合物中分解得到。其方法也就是我们用以 得到氢气的来源。 2 中国已经是世界上的产氢大国。总年产量已达1000多万吨。氢气主要是作为一种中间产品 而生产的，是用天然气、原油和焦炭作为原料来生产的。目前中国最大的氢气消耗量是用在 合成氨的生产。而作为直接产品和燃料的使用很少。中国每年产生的焦炉气有400亿立方米
２０１８年氢能源行业深度分析报告
氢能源：绿色零排放，或是能源终极形式。从历史变迁的纵向角度看，人类利用能源的发展历史是不断走向清洁化的过程，氢能源是目前已知最绿色清洁的能源，其反应产物只有水，因此有望成为能源的终极形式。从横向对比角度看，氢能源相较于其他形式的能源具有功率密度优势，在发电领域具有建设成本优势。目前氢能源应用的主要阻碍在于分布式应用场景利用综合成本高，并且氢气使用的便利性和其他能源相比有较大差距。以全球氢能源乘用车发展为例，氢能源产业化应用尚处于导入期，需要政策支持。我们认为，在各国产业政策及补贴的推动下，氢能源产业发展有向好趋势，国内市场也有望真实进入导入期，但产业链仍需完善。 从氢能源非工业应用看：燃料电池是使用氢能源的理想方式，下游交通运输需求渐成主流。氢能源应用有多种方式，可以通过传统热机也可以通过燃料电池。由于燃料电池跳出了热循环的限制，因而具有更少的能量损失，能量利用效率更高。同时，燃料电池利用氢能源具有噪音小等优点。因此燃料电池是氢能源利用的理想形式。氢能源燃料电池下游有便携设备、固定式应用和交通运输式应用，据国外研究机构Fuel Cell Today和E4tech数据显示，交通运输装载的氢燃料电池量逐年增长，2017年全球燃料电池装机中，交通运输需求占比68.05%。 交运需求已经成为燃料电池的主要需求，也是氢能源非工业应用的主要需求。 氢能源产业链：日益完善，整装待发。氢能源产业链包括上游制氢产氢、氢气储存运输、加氢站运营、中游燃料电池系统及零部件生产制造、下游氢燃料电池应用等众多环节。同时，围绕氢气展开的主产业链条需要大量高技术含量机械设备支持，主要集中在制氢和压缩领域。 我们认为，制氢路径会按照制氢地的资源禀赋不同而有所变化，储氢环节主要还是气态储氢，但合金储氢前景较好，加氢站环节会呈现中央制氢与分布式制氢共存互补的格局，燃料电池环节的机会在于质子交换膜、低成本催化剂以及储氢瓶，下游应用环节中汽车市场最大，汽车应用市场中，我们预计氢燃料电池商用车市场最先爆发。 总结与展望：看好配套设施市场。我们认为未来应该关注的投资机会有三点：1）氢能源的生产及其设备等附属产业；2）加氢站运营服务产业；3）燃料电池核心技术的突破和氢能源商用车生产制造产业链。在国内目前的发展状况下，配套设施先行是大概率事件，之后是商用车制造。 重点关注环节：我们看好配套设施及制造装备和核心技术有壁垒的环节：
氢燃料电池原理 Document number【AA80KGB-AA98YT-AAT8CB-2A6UT-A18GG】
氢燃料电池的工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图 1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为： H2→2H++2e。 (3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。
3 PEMFC 的特点及研发应用现状 燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。 PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图 2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。 (1) PEMFC 作为移动式电源的应用 PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC 是技术最成熟的电动车动力电源。