社会基础能源用作汽车燃料的路径和效率

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车用燃料的利用路径与效能随着世界经济不断增长，汽车数量不断增加，汽车的燃耗也不断增加，加速了石油资源的枯竭，汽车排放的尾气又造成大气严重污染。虽然，研发替代燃油的清洁燃料汽车至今在技术上已取得了不少突破，但用什么能源替代燃油是至关重要的问题。显示了社会基础能源用作汽车燃料的路径和效率。

这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去，e2就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同，这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而，燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点，这确保了fcv成为真正意义上的高效、清洁汽车 燃料电池本体结构示意图为满足汽车的使用要求，车用燃料电池还必须具有高比能量、低工作温度、起动快、无泄漏等特性，在众多类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（pemfc）完全具备这些特性，所以fcv所使用的燃料电池都是pemfc.

纯氢型燃料电池结构简单，发电效率高，起动性、应答性都比较好，也不需要设置车载燃料重整系统。但是，要建立这种为汽车加氢气的社会基础设施，投资巨大，涉及许多相关问题需要相当长的时间才能解决，因此，解决车用纯氢燃料电池的氢气供应，现实可行的办法是在汽车加气站就地制取。目前用天然气、lpg、甲醇作原料的就地制氢装置已经研发成功，并上市销售，其制氢容量为10～100m3/h.典型的用含氢燃料（天然气、lpg）作原料的就地制氢装置的氢气加气站原理流程。该装置设计氢气生产能力为，产品氢气用膜片式压缩机经三级压缩到40mpa后储入氢气储罐中，储罐总容积为217m3，氢气加气机能进行双排加气，加气系统分为25mpa和30mpa两个压力等级，可在十分钟内为5辆小轿车和1辆公共汽车加气。虽然加气站就地制氢技术已成功开发利用，但采用25mpa和30mpa的压缩氢气的能量储存密度与车用燃油相比相去甚远，致使纯氢燃料电池汽车的行驶距离还达不到目前的燃油汽车的行驶距离。若要提高氢气的能量储存密度，要么进一步提高氢气储存压力至70mpa高压，或将氢气液化。但前者压缩功耗大，车载氢气储罐很重，使单位输出功率的重量增加，同时70mpa高压氢气在使用安全性方面尚无标准可循，致使业界不敢轻举妄动；而后者需要将氢气冷却到-253℃，即20°k的超低温液化，涉及如此超低温的充装和车载系统同样存在诸多问题需要解决。因此当前采用25mpa和30mpa的压缩氢气燃料电池比较现实。

尽管液氢燃料电池具有如此突出的优点，但液氢所涉及的很多具体问题，短期内还难以解决，至今在汽车行业尚未推广应用。车载重整型燃料电池汽车汽车由于体积小，空间受限制，安装氢气提纯设备（系统）十分复杂，为简化车载重整系统，采取燃料电池直接使用含氢重整气的措施。考虑到汽车对重整燃料的氢含量和可携带性要求，车载重整燃料基本上都选用甲醇。水蒸气重整反应的反应方程式为，反应为吸热反应，反应温度约为300℃；部分氧化重整反应的反应方程式为：反应为放热反应，反应温度约为600℃。从重整效率来看，水蒸气重整的效率高于部分氧化重整，所以，希望采用水蒸气重整方式。但pemfc基本上属于常温起动，而水蒸气重整反应为吸热反应，因此采用水蒸气重整就需要增设起动升温系统，这样就增加了系统的复杂性。部分氧化重整反应为放热反应，是不需要设置升温系统就能起动的，为了简化水蒸气重整系统，研究出了水蒸气重整和部分氧化重整相结合的自热重整方式，即在汽车起动时采取部分氧化重整方式，其目的在于给重整器升温，待升温到需要的高度时，自动转换为水蒸气重整方式。甲醇水蒸气重整工艺流程甲醇重整燃料电池为，其氢气极（阳极）用铂（催化剂，铂催化剂表面会因吸附co而中毒，失去其活性。为防止铂催化剂中毒，一方面在工艺上采取水性转化选择性氧化和用氢渗透膜阻止co通过等措施除去重整气中的co，另一方面在铂催化剂中添加金属镥（lu）以增强铂催化剂的抗co能力，确保重整器保持高效率。车载甲醇燃料电池甲醇重整流程。

车载甲醇燃料电池甲醇重整流程413车载甲醇重整燃料电池汽车发展状况车载甲醇燃料电池的入池燃料为富含氢重整气而不是纯氢气，因此会影响负载的应答性。但经过汽车制造商们的努力，这一问题已有所突破，譬如戴姆勒-本茨汽车公司生产的车载甲醇重整器汽车necar3型的运行报告表明，负载的应答时间已达到2秒的水平，这是一个很大的进步。

在汽车实际运行中，要求汽车具有良好的起动性和应答性。因此为了改善汽车的起动性和应答性，在车上增设一套蓄电池作为辅助电力，这样甲醇重整型燃料电池汽车就成为一种混合型电动汽车。戴姆勒-本茨汽车公司于1997年将a型小轿车改造成甲醇重整型燃料电池汽车，由ballaed公司生产的燃料电池堆安装在车前部的座位下方，甲醇储罐和重整器则安装在车后部座位下方，汽车乘员从原来的4人减为2人。该车装甲醇40kg，续行里程400km.通用汽车公司于1998年推出以ev1型汽车为基础的甲醇重整型燃料电池汽车，燃料电池堆由3个容量为10kw的电池组成，输出功率为30kw，另装有缓冲电池。欧盟推动等多家公司共同开发的甲醇重整型燃料电池汽车，在低负荷或正常负荷下运行时，汽车以燃料电池电力为动力；在加速等高负荷时，则要使用蓄电池电力。日本汽车公司如丰田和日产等也在研发并推出了甲醇重整型燃料电池汽车，这些都是混合型电动汽车。虽然世界各大汽车制造商从上世纪90年代就在研发并推出了甲醇重整型燃料电池汽车，但效果均不理想，由于同时装有重整系统和蓄电池，使其存在以下不足：增加了系统的复杂性，驾驶操作不如通常的燃油动力汽车简便；重整装置占用了汽车车体内有限空间，影响了汽车外型设计；增加了汽车自重，从而增加了燃料消耗。以上不足致使其实用化进程受阻，在此情况下，直接甲醇燃料电池汽车应运而生。

直接甲醇燃料电池汽车直接甲醇燃料电池（dmfc）是将甲醇直接入池，让甲醇在阳极电极上直接进行重整生成氢离子、电子和co2，其阳极反应与甲醇重整型燃料电池相比，由于不设置甲醇重整装置，因而使dmfc系统得以简化，并提高了负载应答性，同时还因无重整装置热损失而大幅度提高了燃料电池的总热效率等，优点很多。但与纯氢燃料电池相比，则存在甲醇活性低、燃料电池汽车开发展望反应速度低，致使dmfc的电压和电流输出密度低于。美国能源部（doe）的研究所对dmfc和电池电压和电流密度的研究结果。要克服dmfc这一缺陷，就必须提高甲醇的反应活性，即提高电池动作温度以加快电化反应速度，为此需要提高质子交换膜的耐热性；增加电极铂催化剂用量以加快反应速度，这样，势必增大dmfc自身的成本，另外还必须克服甲醇渗透过质子交换膜的问题。由于没有甲醇重整装置，因而消除了影响车载甲醇燃料电池实用化进程的许多障碍，使汽车制造商们对dmfc表现出极大的兴趣，他们正在和大学研究机构密切合作，对甲醇活性和反应速度低等相关问题进行研究，期待出现突破性进展。结束语对甲醇、天然气和汽油车载重整进行从燃料生产井到汽车车轮全程能效评估，可以清楚地看出甲醇的综合效率最低，不应选作车载重整燃料。但天然气和汽油重整温度都很高影响了系统的启动性和负载应答性。天然气还存在燃料携带不便，且燃料储存系统加上重整系统体积大，占用汽车有效空间等诸多缺点；汽油虽然燃料携带方便，但h/c比低，并含有烯烃、芳烃等双键结构烃类，因此，会使汽油在温度重整过程中析出碳，导致催化剂失去活性，同时重整过程生成的co量也多，从而增大了转换器的负荷和反应器的体积。天然气和汽油用作车载重整燃料的综合效率虽高，但难度比使用甲醇更大，需要解决的问题更多，因此目前车载重整燃料几乎都选用甲醇。无论从当今社会的基础燃料的全程能效进行评估，还是从清洁、环保方面进行评估，最理想、最适合汽车代用燃料非氢燃料莫属。

用纯氢为燃料的质子交换膜纯氢燃料电池具有技术成熟、效率高、体积小、负载应答性好等显著优点，很适合用作汽车燃料电池。对纯氢燃料电池汽车而言，在汽车方面虽然不能说已作到尽善尽美，但已不存在阻碍其实用化进程的技术问题，不过要在汽车行业普及h22pem2fc，就需要有一套为h22fcv充加氢气的社会基础设施，如遍布城乡的加油站一样。要建成这样一套系统，还有很大的困难，这需要政府、企业及研究机构等各方的不懈努力才能实现，但是随着氢气储运技术难点的突破和石油资源的枯竭，相信这一进程会大大加快。

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