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[交流] 【科研新闻】美国氢燃料电池技术的发展

美国氢燃料电池技术的发展
——由化石能源体系向氢能源体系及多样化的重大转换

由化石能源体系向以氢为载体的新的能源体系及多样化转换，虽然看似难以置信，但不是前所未有。世界各国直到19世纪中叶其能源体系仍然是以牲口为主要交通运输工具，以木材取暖和炊事。今天形成以煤炭、石油和天然气化石能源体系的交通运输燃料和电力的能源无处不在，它已经很难从现代社会功能中区分出来。

目前也许正处于向下一代能源体系转换及多样化的边缘。当今包括美国、日本等发达国家以及中国、巴西和印度等经济发展势头强劲的发展中国家在内的国际社会，强力地意识到氢能可作为未来清洁、可持续能源系统中一个关键、重要的组成部分。未来氢能源体系的重要特征是将氢作为固定电源、交通运输、工业以及居民、商业利用方面的一个能源载体，氢能必将形成一个新的能源体系，为全球经济、社会发展提供用之不竭的能源。

由于氢是一个能源载体，目前在生产、储存、运输和利用等方面还处于技术开发阶段，到技术成熟时，氢将主要由清洁生产工艺技术获取。氢可从可再生能源中电解获取，也可从化石燃料中利用碳吸收的办法通过重整工艺后获取。氢可以像现在的石油、天然气等矿物能源被有效地储存、卡车或管道运输。当氢用于燃料电池、透平或发电机生产电力时，它的主要副产品就是水。

美国高度关注氢及燃料电池技术的开发，其目的是：从短期来看，由于大量利用矿物能源造成严重的温室气体排放所承受的巨大国际压力，至今美国政府仍未签署联合国于1997年颁布的《京都议定书》规定发达国家理应承担的减排义务，布什政府最近还多次表态将不会签署该文件，美国大力加强氢及燃料电池技术开发是为向世人展示一种积极的姿态。美国另一个考虑是寄希望于通过高新技术的开发，创造更多的就业机会，调整本国的产业结构，提升其产品在国际市场上的竞争力、以及为增加目前的能源安全和电力供应可靠性需要。从长期来看，由于世界矿物资源特别是石油资源将趋于枯竭，迫切需要寻求一种新的能源资源或产品，为向下一代能源体系转换及多样化做充分的技术准备和长时间的系统运行经验积累。

从总体来说，开发和利用氢、燃料电池技术具有诸多优点：

?可以大量利用美国国内资源和通过不同生产方法、途径获得氢燃料；
?减少进口石油需求，特别是交通运输所需的石油资源；
?燃料电池可以在电网输电系统不能够满足供应的情况下，应急启动填补电力供应的不足，起到电力供应的调峰作用；
?可以显著改善美国的大气空气质量，使汽车尾气和使用化石燃料的清洁电力生产系统实现接近于零的排放。

从原理上来讲，氢燃料电池工作是电解的逆反应，空气中的氢气和氧气混合进行催化电化学反应产生电流、热量和纯净饮用的水。除了零污染排放特点外，燃料电池可以获得比内燃机高出2～3倍的工作效率，燃料电池的发电工作能力使得它获得广泛的应用，包括：便携式（50～100瓦）和固定式电站（1～200兆瓦）。尽管燃料电池具备服务于经济领域各方面的潜力，但今天它们从价格上来说较内燃机还相对比较昂贵，未来进一步的开发工作将是提高可靠性和降低成本，以便具有经济上的竞争力。

1. 向以氢为载体的能源体系及多样化转换是美国能源供应的战略选择
（1）美国能源消耗、需求预测
（2）美国石油生产、消耗情况
（3）美国交通能源战略
（4）美国发展燃料电池技术的路线图

为此，美国发展燃料电池技术的基本路线图是：

?2015年燃料电池技术开发成功后可进行商业上的决策；
?2020年，燃料电池汽车还处在不断发展阶段，但在这段时间里，实质上该技术的开发成功影响不到石油大量进口的这种趋势；
?2020年之后将可能减少石油进口和石油在交通运输领域的消耗；
?2040年如果大量使用燃料电池汽车获得突破的话，轻质油用量每天可降低1100万桶，这个量相当于目前美国石油的进口量。

①固态能源转换联盟（SECA）计划

②能源部与美国汽车协会（Freedom CAR）计划

总之，由于燃料电池技术效率提高及核能、可再生能源技术的大力开发和广泛应用，这种技术上的突破和大规模的应用在一定程度上将显著降低温室气体生产和排放。然而尽管燃料电池具有潜在的国家利益，但它在目前的技术发展中，需要高强度的资金投入和长期运行获得技术经济指标的积累，这些因素严重限制了其预选设定的商业化进程。基于此，目前美国政府在资金投入、技术开发、考证检验燃料电池技术具备商业应用价值示范等方面，将继续担当重要的角色。

2. 氢的来源

美国的长期战略是：未来燃料电池所需要的绝大部分氢将从可再生能源资源中生产获取。例如，利用风能和太阳能技术电解转炉炼钢水获取氢；利用日光从生物质或光催化作用的办法生产氢；核能（采用热化学工艺或电解）也是一种可选途径。利用这些方法由于增加了能源多样化，可以显著提高美国本国的能源安全性。

从近期看，氢将可以从化石燃料（例如石油和天然气）或利用电解的办法获取。在美国现有的项目安排中，主要目的是改进这些工艺的成本和效率。电解生产氢的方法在近期（从输配角度看）可以实现，但它的缺点是利用现有电力生产的办法，将不能够产生能源、环境的最终伊效率；二氧化碳吸收和处理的问题一旦成为现实，将就可以利用这个途径从化石燃料中生产氢，从而将最大限度地降低大量温室气体排放。
（1）氢生产
（2）氢输送
（3）氢利用

[ Last edited by mainpro on 2006-5-7 at 22:57 ]

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