氫燃料汽車原理構造 氫能源動力汽車

前質子交換膜燃料電池是受眾最廣的技術路線，因為其在工作過程中不涉及氫氧燃燒，能量轉化率高、工作過程無污染、可模塊化發電，可靠性高、工作無噪音等優點。質子交換膜燃料電池的工作原理如下：點擊進入看圖評論電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水。這時在氫電極上有多余的電子而帶負電，在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，反應過程就能連續進行。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（氧氣）。氫在負極上的催化劑的作用下分解成正氫離子和電子。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。兩電極的反應分別為：點擊進入看圖評論點擊進入看圖評論總反應為：點擊進入看圖評論氫能汽車，顧名思義，是以氫作為能源的汽車，將氫反應所產生的化學能轉換為機械能以推動車輛。氫能汽車分為兩種，一種是氫內燃機汽車(Hydrogeninternalcombustionenginevehicle,HICEV)是以內燃機燃燒氫氣（通常透過分解甲烷或電解水取得）產生動力推動汽車。氫燃料電池車(Fuelcellvehicle-FCEV)是使氫或含氫物質與空氣中的氧在燃料電池中反應產生電力推動電動機，由電動機推動車輛。廣泛使用氫燃料作為交通能源是氫經濟的一個關鍵因素。使用氫為能源的最大好處是它跟空氣中的氧反應，僅產生水蒸氣排出，有效減少了傳統汽油車造成的空氣污染問題。HICEV一般以內燃機為基礎改良而成，要實現并不困難，困難之處在于如何降低成本及達至安全，以及安全地解決氫氣供應、儲存的問題后才可以推出市場。高速車輛、巴士、潛水艇和火箭已經在不同形式使用氫。氫燃料電池1.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）1980年研制成功，在650℃下工作，把熔融碳酸鹽作為電解質，把送到正極的二氧化碳作為離子載體。不需要催化劑，而且可以使用天然氣等其他氣體燃料。但是啟動時間較長。2.固體氧化物燃料電池（SOFC）1980年研制成功，電解質為含有氧化鋯等成分的固體陶瓷材料。工作在800~1000℃的高溫，離子可以通過陶瓷材料。不需要鉑等催化劑。也可以使用其他氣體燃料，啟動時間也較長。3.固體高分子燃料電池（PEFC）目前投入研究力量最大的電池，電解質為高分子樹脂薄膜，可以實現小型化。工作溫度在100℃以下，但是需要催化劑。也可以使用甲醇。啟動時間也最短。4.磷酸燃料電池（PAFC）1967年研制成功，工作溫度接近200℃，需要催化劑，電解質為磷酸水溶液，在飯店和醫院使用較多。氫能汽車氫內燃機動力氫內燃車和氫燃料電池車不同。氫內燃車是傳統汽油內燃機車的帶小量改動的版本。氫內燃直接燃燒氫，不使用其他燃料或產生水蒸氣排出。這些車的問題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數英里，很快便沒能量。另一方面，各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間，例如用液態氫或氫化物。1807年IsaacdeRiv制造了首輛氫內燃車?？上г撛O計甚不成功。寶馬的氫內燃車有更多的力量，比氫燃料電池車更快。寶馬的氫汽車以三百公里每小時創下了氫汽車的最高速記錄。馬自達已在開發燒氫的轉子引擎。該轉子引擎反復轉動，故氫從開口在引擎內的不同部分燃燒，減少突然爆炸這個氫燃料活塞引擎的問題。其他重要汽車生產商如通用汽車和DaimlerChrysler公司，投資在較慢較弱但較有效的氫燃料電池。產業發展多間公司都有研發氫氣車，資金有來自私人及政府，但福特汽車已經放棄，并將資源投放于純電動車上；雷諾-日產聯盟在2009年宣布停止研發氫氣車；通用汽車公司在2009年10月宣布減少在氫氣車的研發，原因是認為氫氣車距實用化還有相當距離。2009年，日產在日本發起新FCV計劃，之后在10月，日產、福特汽車、通用汽車、現代集團、豐田、戴姆勒、雷諾、起亞汽車發表聯合聲明，將研發燃料電池車，預計2015年完成。2011年，現代集團發表其Blue燃料電池車（FCEV）。儲氫方法傳統儲氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態氫，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱。一種新型簡便的儲氫方法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。這些會"吸收"氫氣的金屬，稱為儲氫合金。其儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金都是固體，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。研究發展中的儲氫合金，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。研究證明，在一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量"吸收"氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。氫能與氫能汽車儲氫合金還有將儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能。儲氫合金在吸氫時放熱，在放氫時吸熱，利用這種放熱－吸熱循環，可進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設備。此外它還可以用于提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，采用儲氫合金，可以以很低的成本獲得純度高于99.9999%的超純氫。儲氫合金的飛速發展，給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。中國已研制成功了一種氫能汽車，它使用儲氫材料90千克，可行駛40千米，時速超過50千米。今后，不但汽車會采用燃料電池，飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池，作為其主要或輔助能源。另外由于大量使用的鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理復雜，環境受到污染。鎳氫電池與鎳鎘電池相比，具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優點。發展用儲氫合金制造的鎳氫電池（Ni－MH），也是未來儲氫材料應用的另一個重要領域。動力來源燃料電池的優勢，科技手段中，尚沒有一項能源生成技術能如燃料電池一樣將諸多優點集合于一身。能源安全性。自1970年代的石油危機后，各大工業國對石油的依賴仍有增無減，而且主要靠石油輸出國的供應。美國載客車輛每日可消耗約600萬桶油，占油料進口量之85%。若有20%的車輛采用燃料電池來驅動，每日便可省下120萬桶油。國防安全性。燃料電池發電設備具有散布性的特質，它可讓地區擺脫中央發電站式的電力輸配架構。長距離、高電壓的輸電網絡易成為軍事行動的攻擊目標。燃料電池設備可采集中也可采分散性配置，進而降低了敵人欲癱瘓國家供電系統的風險。高可靠度供電。燃料電池可架構于輸配電網絡之上作為備援電力，也可獨立于電力網之外。在特殊的場合下，模塊化的設置（串聯安裝幾個完全相同的電池組系統以達到所需的電力）可提供極高的穩定性。燃料多樣性?，F代種類繁多的電池中，雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備「燃料轉化器（或譯重組器，fuelreformer）」的電池系統可以從碳氫化合物或醇類燃料中萃取出氫元素來利用。此外如垃圾掩埋場、廢水處理場中厭氧微生物分解產生的沼氣也是燃料的一大來源。利用自然界的太陽能及風力等可再生能源提供的電力，可用來將水電解產生氫氣，再供給至燃料電池，如此亦可將「水」看成是未經轉化的燃料，實現完全零排放的能源系統。只要不停地供給燃料給電池，它就可不斷地產生電力。高效能。由于燃料電池的原理系經由化學能直接轉換為電能，而非產生大量廢氣與廢熱的燃燒作用，現今利用碳氫燃料的發電系統電能的轉換效率可達40~50%；直接使用氫氣的系統效率更可超過50%；發電設施若與燃氣渦輪機并用，則整體效率可超過60%；若再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。用于車輛的燃料電池其能量轉換率約為傳統內燃機的3倍以上，內燃引擎的熱效率約在10~20%之間。環境親和性?？茖W家們已認定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌癥的元兇之一。最近的健康研究顯示，市區污染性的空氣對健康的威脅如同吸入二手煙。燃料電池運用能源的方式大幅優于燃油動力機排放大量危害性廢氣的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳，但其含量遠低于汽油之排放量（約其1/6）。燃料電池發電設備產生1000仟瓦-小時的電能，排放之污染性氣體少于1盎斯；而傳統燃油發電機則會產生25磅重的污染物。因此，燃料電池不僅可改善空氣污染的情況，甚可能許給人類未來一片潔凈的天空?？蓮椥栽O置/用途廣。燃料電池的迷人之處在于其多樣風貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點外，它還具有縮放性。利用黃光微影技術可制作微型化的燃料電池；利用模塊式堆棧配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發電元所產生的電壓約為0.7伏特，剛好能點亮一只燈。將發電元予以串接，便構成燃料電池組，其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯的發電元個數。燃料電池的劣勢主要是價格和技術上存在一些瓶頸，摘列如下：燃料電池造價偏高：車用PEMFC之成本中質子交換隔膜（USD300/m2）約占成本之35%;鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料。反應/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數來達到，但提高穩定性則必須避免副反應的發生。反應性與穩定性常是魚與熊掌不可兼得。碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣后，方可供現今的燃料電池利用。這些設備亦增加燃料電池系統之投資額。氫氣儲存技術：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現今汽車單程可跑480~650公里的續航力。以-253℃保持氫的液態氫系統雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態，且從隙縫蒸發而流失的氫氣約為總存量的5%。氫燃料基礎建設不足：氫氣在工業界雖已使用多年且具經濟規模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。發展現狀美國早在1994年，克林頓政府實施"新一代汽車合作計劃"，耗資15億美元，開發3倍于當時燃料效益的新一代先進轎車。布什政府提出"自由轎車"項目以及"自由燃料"計劃（氫計劃），總共耗資17億美元，從事氫能燃料電池、氫能基礎建設與尖端車輛科技的發展。美國政府在相關政策上積極鼓勵新能源汽車，對購買每輛零排放汽車補貼4000美元，并要求到2006～2007年聯邦機構新購車輛應有5%為氫燃料電池車，以后還將提高到20%。而以環保激進著稱的加州曾一度要求到2003年全州售出新車的10%是零排放汽車；今后幾年將陸續投放300輛燃料電池轎車和公共汽車試用。密執安州2002年就在底特律建立了"下一代能源"工業區，同時還頒布了"氫氣高速路"計劃以及一些鼓勵措施，例如，購買氫動力汽車消費者可以享受減稅、免費泊車和洗車價格優惠等便利。舊金山市共有90輛氫動力車在路上行駛，計劃2007年在洛杉磯、舊金山推出300輛燃料電池車，同時將現有的16個加氫站，2005年底增加到27個，2010年達到50個。同時，成立"加利福尼亞燃料單元伙伴協會"，與汽車制造商、環?？蒲袡C構、政府部門和民間組織聯手，從資金、技術、政策、宣傳、工業安全標準的設置上共同努力，推動燃料電池車的發展。[1]可見，"自由燃料"計劃實際上就是放棄電動汽車的研究而轉向燃料電池汽車，并要在2010年讓該類汽車在市場上占到25%的份額，在2020年廣泛推廣實用性的氫燃料電池車。美國政府堅信，到2015～2020年，燃料電池電動汽車和氫燃料的加注基礎設施，將一切準備就緒。新加坡研究人員成功研制出一種新型氫燃料電池，可用于摩托車，他們還希望這種新型燃氫電池將來能在電視、收音機甚至手機等電器上使用。冰島人口僅28萬，58%的能源和近100%的電力來自水電和地熱，早在1999年就提出到2030年將率先建成氫經濟，首先更換首都雷克雅未克的全部公交車，并使全部機動車和漁船使用氫燃料電池。韓國對氫燃料技術的研究比美、日等國落后4～5年，但也公布了以氫為基礎的經濟能源政策，希望到2020年陸續投資8.43億美元，使交通對原油的依賴減少20%。加拿大政府投入2.15億加元進行"氫能早期采用者計劃"，用于開發新觀念，包括氫能高速公路的建設。"加拿大運輸燃料電池聯盟"，政府出資2300萬加元展示燃料電池車。還有，"加拿大燃料電池氫能社區伙伴"、"溫哥華燃料電池專案"以及"復合燃料電池運輸公共項目"等項目。同時，巴拉德公司支持加拿大政府在范庫弗峰和惠斯勒之間興建世界第一條氫能公路。通過使用建在公路上7個制氫點制取的氫氣，來促進車用氫燃料電池更廣泛的應用，這僅僅是加拿大氫能長期發展計劃的一部分。中國2018年9月28日，武漢首批氫燃料電池動力公交車在中國光谷武漢東湖新技術開發區359路公交線路試運行，武漢首座加氫站同步啟用，標志著武漢市氫燃料電池動力公交車全面進入商業化示范運行新階段。[2]除了上述國家之外，其它各國也在努力，希望在燃料電池方面能爭得一席之位。