基于铝/水制氢-燃料电池发电的生命周期评价及基础实验研究

摘要

由于能源危机和环境污染问题日益加剧，当前世界能源系统正处于快速转变过程。氢能作为一种理想清洁能源，其产业化应用发展受到了高度重视。铝/水反应制氢是以金属铝为氢能载体的清洁制氢技术，通过铝/水反应制氢系统与质子交换膜燃料电池氢能转化系统联合发电，可建立氢能从产生到转化利用的高效技术路线。将铝/水制氢-燃料电池发电系统产生的电能应用于汽车驱动系统，可有效缓解传统燃油车使用过程造成的交通能耗和环境污染问题。 本文首先针对铝能源的氢能转化应用技术路线进行理论研究，采用生命周期评价方法，构筑了从油井到车轮的铝能源氢能转化车用技术路线。基于能量的转化和利用途径，研究通过目标与系统边界搭建、清单收集、影响评价、结果解释等评价步骤，分析了铝能源氢能转化、纯电动、燃油三类车用能源应用技术路线的整体能耗和环境效益。结果表明，以金属铝为原料的车用技术路线在油井到车轮全部阶段的基础能耗适中，环境效益表现优秀。当制氢系统氢氧化钠的投入比例下降时，系统整体能耗和环境效益将进一步被优化。随着新型车用能源利用技术成熟和中国电力结构优化，未来纯电动车型以及其他新型车型，如基于铝能源转化的燃料电池车型，将有望替代传统燃油车，成为汽车产业的新一代主体车型之一。 为研究铝/水制氢-燃料电池发电系统技术特性，验证理论设计路线应用可行性，本文结合生命周期流程参数，设计搭建了铝/水制氢-燃料电池耦合发电系统并进行匹配实验研究，同时对燃料电池设备开展了稳定供氢条件下的标定实验测试。研究通过控制铝/水反应物配比和电路负载等变量条件得出相关实验结果，总结氢气流量及系统发电特性，讨论了系统最佳反应工况和相关改进方向。结果表明，耦合系统允许的氢气流量范围较广，反应条件容易实现，运行稳定，整体方案可行；同时，本研究发现制氢系统的氢气流量稳定对发电性能影响较大，因此提升供氢稳定性是今后铝/水反应制氢努力的方向之一。

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