氢气的制备选择电解水制氢法

       氢气的制备、存储技术

　　电是一种二次能源，需通过消耗一次能源来获得。最合理的是采用风力发电或太阳能发电。此外，风电和太阳能光伏电，业内称呼为垃圾电，其功率不平稳，发电时间不稳定，会对电网产生巨大冲击，所以这两种电很难并入电网。如果给这些电厂配备电解水制氢设施，这些垃圾电就能被就地消纳。因此氢气的制备选择电解水制氢法。

　　作者进行了《关于氢能源汽车的技术认知及发展前景调查》(以下全部简称为《调查》)的调查报告，报告中对于"你认为最经济环保且最适合大规模生产的制氢方法是什么?”(如图1),有62.73%的人认为是"太阳能电解水制氢或太阳能光解水制氢”，占比最高;其次是"风力发电，电解水制氢”，占比50.91%,该两项数据也可以充分说明人们对风电制氢和太阳能发电制氢的期望和科学的制氢方式是相吻合的。

　　氢气是地球上密度最低的气体，而且它的扩散能力很强，化学性质十分活泼，这些特点决定了氢气较难以常规的形式储存。目前氢气的储存方式主要有三种：高压气态储存、低温液态储存、固态吸氢材料储存。

　　高压气态储氢是将氢气以很高的压力充进储氢瓶，压力通常为35Mpa或者70Mpa。高压储氢的优点是操作简便、储氢成本低、充放氢速度快且易于控制，缺点是单位体积能量密度低。

　　低温液态储氢是将氢气冷却至-253C以下，让氢从气态转变成液态，再充入特制的绝热容器中。液态氢的密度是标准状态下气态氢的788倍,因此液氢的单位体积能量密度要比压缩气氢高出好几倍，这意味着可以给汽车提供更长的续航里程。低温储氢对容器的隔热性能要求很高，并且液化氢气要消耗较多能量，约占总氢能的1/3,这就大大降低了车载氢能源的整体利用效能。

　　固态吸氢材料储氢是利用某些金属络合物来吸附氢气的。研究发现，把镁、钛、锆、铌、镧等金属及它们的合金制成络合物，再将它们置于高压(<5MPa)的氢气环境中，这些金属就会像海绵吸水一样把氢气储存起来，只需通过加热或减压的方式就能让它们把氢气释放出来。金属氢化物单位体积的储氢密度是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,储氢能力优于气态储氢和液态储氢。在《调查》中(见图2),约有42%的人认为"金属氢化物储存"是最有发展前景的车载储氢方式(占比最大)，可见该储氢方式的确是最符合汽车的使用要求的。

　　除了以上三种储氢方式，其实还有一种最新的有机液态储氢。中国地质大学的程寒松教授和他带领的团队，将特定的不饱和芳香烃作为载体，通过催化的方式把氢化合进载体里，实现了在常温常压下就能将氢气存储起来。2016年9月，首台使用该技术的氢能客车"泰歌号"在武汉扬子江汽车集团有限公司成功下线，标志着我国卓有成效地推进了氢能源在汽车领域的产业化应用进程。

氢燃料电池技术

　　质子交换膜燃料电池(PEMFC)易于实现小型化，并且能量转换效率高、低温启动性能好、可输出电流大、工作噪音小，因此最适合汽车搭载。

　　PEMFC 的核心部件是膜电极组件(MEA)，其包括质子交换膜、催化层、气体扩散层(GDL)等片层结构。GDL 通常为经过聚四氟乙烯憎水处理的石墨炭纸，其上需附着一层活性炭以使表面平整，再附着上铂催化剂。这几层材料经过热压成型后便形成 MEA，MEA 的两侧需装上密封圈，然后将其置于双极板之间，由此构成单体电池，若干块单体电池便组合成燃料电池电堆。双极板通常用石墨制作，需用数控铣床或者精雕机在其上加工阴、阳极气体流场，复杂的机加工使得双极板成本较高。

　　PEMFC的工作原理为：H2和〇2通过双极板上的气道分别到达电池的阳极和阴极，通过MEA上的扩散层到达催化层。在膜的阳极侧，H2在阳极催化剂表面上解离为水合质子和电子，水合质子通过质子交换膜上的磺酸基传递到达阴极，而电子则通过外电路流经负载到达阴极;在阴极的催化剂表面，氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电子，生成水分子。在此过程中，质子要携带水分子从阳极传递到阴极，阴极也会因电化学反应而生成水，这些水都从阴极排出。PEMFC的工作原理如图3所示。

　　保持燃料电池水热平衡是电源管理技术中的难点。质子的传导需依靠水，因此必须让质子交换膜保持湿润，缺水过多会使膜的电导率下降，导致电池的输出功率不稳。水过多积聚会使氧气输送受阻，导致燃料电池的不均匀发电。另外，PEMFC的冷启动问题不容忽视，否则会大幅折损电池寿命。

       因此，必须采用一定手段来防止PEMFC内部结冰，常用的方法有：     

       (1)用氮气吹扫残余水分;

       (2)让电池保温至水的冰点以上;

       (3)利用气体或冷却液流经管道对电池内部进行加热等。

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