发展清洁能源技术，促进交通的可持续性发展
大连海事大学材料工艺研究所    孙俊才

　　随着经济的发展和经济的全球化，交通运输的发展是实现经济发展的重要保障之一。但是交通运输的发展，交通运输系统的基础设施建设和载运工具对环境的影响日益加剧，尤其是运输工具的迅猛发展和使用燃料所带来的大气环境污染急剧增加。实现交通运输的可持续发展,并使之与城市经济和国民经济以及环境的可持续发展目标相一致就尤为重要。交通运输的可持续发展是指交通与社会经济发展水平、资源条件和环境状况相互协调,既能满足现在的需求又不对未来构成危害的交通发展模式。可持续发展的交通系统包括三方面内容：即经济的可持续性、社会的可持续性和环境的可持续性,其中环境的可持续性是前提和根本。
　　
　　一、交通-能源-环境之间的关系
　　可持续发展的交通运输系统要在保证交通运输通畅、安全、快速、舒适、便捷的情况下，提高载运工具的运输效率，减少能源消耗，减少对自然界的索取与污染；通过有效地研究发展清洁能源和新型替代能源的交通运输工具和交通基础设施，保障经济发展战略的实现，促进经济结构和经济布局的调整。在此情形下,“绿色交通”应运而生。绿色交通是一个理念，一般说来,绿色交通是为了减低交通拥挤、降低污染、促进社会公平、节省建设维护费用而发展低污染的，有利于环境的多元化交通工具来完成经济社会活动的交通运输系统。
　　能源是国民经济发展与社会文明进步的基石，能源的可持续发展是人类社会可持续发展的重要保障之一。交通部门——作为能源消费的主要部门之一，随着国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提升，汽车保有量和船舶的保有量逐年增加，交通能源消费在总的能源供给中的比例越来越大，在我国交通能源的消耗低于10%，同期美国交通能源消耗占32％，日本则超过24％。所以，如果中国也要达到发达国家的平均水平，交通能源需求一定会不断增加，由此引起的环境污染问题也越来越突出。如何提高交通运输部门中的能源使用效率以及如何选择替代能源已经引起政府决策官员和学者的日益关注。
　　在全球的能源结构中，化石能源一直占据着主要的统治地位。但是化石能源是一种不可再生的能源，其地球上的储量日渐减少，人类将面临全球性的能源危机和环境恶化，因此寻求新的且无污染的替代能源和新的能源转化利用方式非常必要，而作为21世纪的绿色能源的氢能和燃料电池技术就是替代能源和技术之一，其开发研究和应用受到各国的普遍重视，以适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的可持续发展的交通能源体系的要求。
　　
　　二、氢能与燃料电池技术
　　氢作为一种二次能源载体，具有燃烧性能好，发热值高且燃烧产物是水，对大气没有任何污染，来源广泛等特点。因此是最理想的绿色能源。氢能的利用形式很多，燃料电池技术是氢能技术的主要应用形式，它可以直接将燃料的化学能转换成电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率理论上可达90%，其反应的唯一副产物是水，能有效地避免环境污染，具有广泛的应用前景，特别是在交通运输领域有着广阔的应用前景。
　　燃料电池基本原理是一种把燃料和电池结合在一起的新型化学电池装置。结构与普通电池相同，但不需要用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行“燃烧”。氢作为燃料，可以通过电解水或从石油、天然气、煤等化石燃料中制取，可以从甲醇、烃类等通用燃料中转化而来，另外工业副产氢和生物质能（如细菌制氢、发酵制氢、沼气回收等）等也是氢的重要来源。
    　众所周知，用电解法可以使水分子中的氢原子和氧原子分开，得到氢气和氧气。燃料电池的“燃烧”过程是正好和电解水相反的电化学反应过程：燃料中的氢与氧化剂中的氧分别在电解质两边的正负极上发生反应生成水，同时产生电流。工作时（如图1）向负极供给燃料(如氢),向正极供给氧化剂(如空气),氢在负极分解成正离子和电子。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧被电解液中的氢离子吸收与抵达正极上电子形成水。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它就可以连续产生电。

　　根据燃料电池所采用的电解质类型可以将燃料电池分为以下几类，其名称与采用的相应的电解质有关。
    （1）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的聚合物薄膜作为其电解质。这种燃料电池是目前最成熟的燃料电池类型。已经投入到电动汽车和船舶、通讯等领域的示范应用。PEMFC具有能量转换效率高（实际效率达到45%~70%）、比功率高、工作在相对温和的条件下（温度在70~90℃，压力为1~5atm）、工作寿命长、可靠性好、良好的环境效益、操作性能好、灵活性高，是一种性能优异的电源，可作为固定电站、可移动便携式动力源、潜艇AIP推进动力源，特别是在电动交通工具动力源上，具有诱人的应用前景和巨大的发展潜力，受到人们的广泛关注。
    （2）磷酸燃料电池（PAFC）采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。
    （3）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但对制造材料的要求也高。使用碳氢燃料和二氧化碳气。
    （4）固体氧化物燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（氧化物）。由于其工作温度约为600-1000℃，在燃料电池工作过程中，可以实现对碳氢燃料的内部重整，因而可使用的燃料广泛，包括各种碳氢化合物燃料，天然气、生物质气等等。是一种非常有前途和无需大量新建基础设施投入的商业化技术。也是适用于固定式分散供电系统和船舶热电联供系统。
         

 表1 各种燃料电池及其燃料对照表

燃料电池类型	电解质	反应气体/氧化剂	原燃料	工作温度	发电效率	排热利用
磷酸型（PAFC）	H3PO4	H2 / O2、空气	氢气、天然气、甲醇、石油	160-200℃	38-42	热水、水蒸汽
熔融碳酸盐（MCFC）	LiCO3/KCO3	H2、CO / O2、空气	氢气、天然气、甲醇、石油、煤气	600-700℃	40-55	燃气轮机、蒸汽轮机
固体氧化物（SOFC）	ZrO2	H2、CO /O2、空气	氢气、天然气、甲醇、石油、煤气	800-1000℃	45-60	燃气轮机、蒸汽轮机
质子交换膜（PEMFC）	质子交换膜	H2 / O2、空气	氢气、天然气、甲醇、石油	60-80℃	39-42	热水

　　在固定式和移动式供电系统中，采用燃料电池产生电力可以使对环境的污染减少到现有技术还不能达到的水平。这可用于依赖常规的能源系统，这些常规能源包括石油、柴油、甲醇或天然气等。汽车和船舶等交通工具选择燃料电池作为未来的动力源以满足减少废气排放的要求，是非常合适的。
　　热电联产系统（CHP）或热电联产电厂的能源转换是一个四级过程，在此，燃料的化学能通过热能及机械能处理过程转换为电能。CHP的电效率约为35％。而燃料电池采用的是“冷燃烧”过程，直接式能量转换器将燃料电池的化学能转化为电与热。燃料电池能源转化过程中，燃料电池提供了最大的效率收益，电效率可高达40-60％ ；通过对热量输出的利用，单机效率可超过80％。远远超过内燃机的燃料效率，其效率值为40-50%。此外，燃料电池具有出色的部分负荷特性、可靠性和静音无振动运行的方式。
对于船舶和汽车等运输工具，汽车用燃料电池的功率在10-300KW的范围，国内目前燃料电池已经达到了单机75KW水平。而海上运输船舶的推进功率要求在2-50MW范围。因而各种类型的燃料电池都必须设计成模块化，尤其对于船舶应用，功率应当能够很容易地进行系统并联。对于高温燃料电池，还需要考虑热/电联供的气体/蒸汽透平联合循环。而内河各种客船、运输船、拖轮、交通轮、渡轮、旅游轮其需要的功率范围则在2KW-2MW范围。因而为燃料电池船舶的开发提供了广阔的应用范围。
　　根据船的类型和操作状况，需要的驱动力功率不同，表2简单列出了不同船舶需要的驱动功率。如果在船舶上采用燃料电池系统，既可以作为船舶的推进动力，又可以同时实现船舶上的各种用电的要求，可根据船的类型选择合适的燃料电池类型和燃料。

表2 不同船舶的功率要求

类型	电力	推进器
		慢	快
小型游艇和船舶	1--100KW
民用船只	100-2000KW	500-1000KW	50000 KW
潜艇和海军舰艇	500-2000KW	1000-2000KW	50000 KW

　　PEMFC系统由四个单元构成，即反应物供给单元、电池本体单元、控制单元及功率变换单元。其中反应物供给单元的作用是向电池本体提供一定压力和流量的燃料(H2)和氧化剂（O2），是电池能否正常工作的前提。目前有两种不同的燃料供给方式，即纯氢供给和催化重整制氢供给。其中，催化重整制氢供给因设备复杂，重整及转化成本高，仅适合于大中型PEMFC（如固定电站），纯氢供给则可应用于各种PEMFC。当采用纯氢供给方式时，贮氢方式的选择至关重要，是PEMFC能否实现功能的技术关键，特别是在基于PEMFC的燃料电池电动汽车（FCEV）上，氢源技术已经成为PCEV走向商业化道路上的技术瓶颈。氢源技术涉及到制氢和氢气的贮运两个方面，氢气制备途径可以通过矿物燃料制氢，电解水制氢，生物质制氢以及各种化工过程的副产品回收获得。贮运方面，由于氢气在一般条件下是气态，这就为其贮运带来了很大的困难。一般情况下，氢气的贮存采取氢化物和瓶装贮存。不同贮氢媒介的贮氢容量和能量密度见表3。

表3. 不同贮氢媒介贮氢含量和能量密度

　　由上表可知，金属氢化物的贮氢具有较高度能量密度和安全性。是一类重要的贮氢介质。
　　
　　三、汽车清洁能源技术
　　汽车尾气排放对大气污染的影响，随着国民经济的发展和汽车保有量的增加而不断增加。2003年，我国人均GDP已经超过1000美元，为我国大力发展私人汽车提供了基础。我国汽车市场消费量，从2001年以来，以30％的速率增长，2003年全国汽车产销量突破400万辆，根据科技部专家的研究预测，到2020年，汽车保有量在中国可能达到一亿辆，年产销量有可能超过1000万辆。如此大量的汽车数量，尾气排放对交通环境和城市环境的影响可想而之。传统的内燃机汽车它是以石油资源为基础。而作为一种战略性的资源，石油为全世界所关注，争夺越来越厉害。我国石油资源短缺，进口日益增多，石油对外依赖度已经超过30％。1990年我国石油进口几乎为零，而从1994年起开始持续增长，1997年就已经占到石油消费总量的15％， 　　2003年我国石油进口超过一亿吨，其中原油进口9100万吨，成品油2800万吨，比同比增长超过30％。中国已成为世界第二大石油消费国，超过日本。根据这一速度推算，2020年我国60％的石油消费将依赖进口。我国的石油供给面临着严峻的形势，能源安全问题十分突出，同时我国是温室气体，二氧化碳排放的大国，多种排放物跃居世界第一，二氧化碳是世界第二，温室气体排放已越来越成为敏感的政治、经济外交问题，严重的城市大气污染主要来自于汽车的废弃物排放，北京、上海，广州等大城市，空气污染中，汽车的排放分担率已经超过60％，据有关部门预测，2005年，我国机动车尾气排放在城市大气污染中的率将达到79％左右，如果不有效的控制汽车尾气污染，城市污染将从煤烟型转化为汽车尾气的污染。
　  纵观我国能源环境发展的需求，审视我国汽车工业发展的历史和现状，我们有理有确定发展清洁能源汽车的运输工具是保持我国国民经济长期持续稳定发展，保证能源安全，保证环境清洁的必然选择。目前，清洁燃料汽车的发展主要分三个阶段，即近期，中期和长期目标。在近期，主要发展燃气汽车，特别是天然气汽车，开发出了10多个品种的燃气轿车和公共汽车，100多种品种进入了批量生产。可以在现有的汽车基础上改装而成。2003年，清洁汽车活动已经在全国16个重点城市大规模开展，燃气汽车保有量已经达到19万辆，加气站达到了560多个。同时建立了清洁汽车技术规范和创新基地。中期目标是燃料与电池的混合动力汽车和普通电动汽车及其产业化。在远期，过渡到燃料电池电动汽车，到2010年实现燃料电池汽车的产业化。在电动汽车的研究开发方面，从2001年，国家实施了电动汽车专项，电动汽车在整车设计，集成技术方面，关键零部件的性能不断提高。我国已经研发出了燃料电池电动轿车，燃料电池电动中巴车和燃料电池电动公共汽车。也研究开发出依镍/金属氢化物电池或锂离子二次电池的纯电动轿车，以及燃料电池与二次电池混合动力汽车。燃料电池在性能可靠性、效率和功率密度等方面都有了明显的进步。正在向满足实用化和满足整车方向发展。
　　我们在镍/金属氢化物二次电池的发展，主要围绕电池电极材料的电化学容量提高，材料容量达到320mAh/g. 制造的镍/金属氢化物AA型电池容量达到2000 mAh/g。需要进一步提高电池的动力性能，满足普通电动汽车对动力电池的要求。
　　
　　四、船舶清洁能源技术
　　目前，汽车尾气的排放引起大气污染，尤其是对城市大气污染已受到人们的高度重视，而船舶排放的废气对环境的影响与路上汽车的排放相比同样不容忽视，但重视不够。调查结果表明，现有燃油动力船舶的排污使大气和海洋环境受到严重污染。对此，国际海事组织在《73/78防污染公约》的京都议定书中新增加了“防止船舶造成大气污染规则”的附则，称为“附则VI”，对船舶柴油机的尾气排放制定了相应的国际标准。这将对船舶内燃机和动力系统的尾气排放提出更高的要求，同时也将迫使我国的航运企业必须研究和改善现有的船舶柴油机的排放条件，使其达到“附则六”规定的国际标准。
　　据统计，船舶的尾气排放占全球NOx排放污染的14%，全球硫化物污染的5%，还应该对近海区域的酸雨污染富有5-10%的责任。这就使船舶必须向减少排放污染的方向努力，特别是与柴油发动机相比，汽油发动机减少大约50%的排放物。尽管大型散装和滚装船舶的每公里每吨货物的排放物量明显地比汽车运输工具要少，但污染也不容忽视。
　　在国际性和区域性海域都生效的海事法规主体是国际海事组织。国际海事组织规定，对于功率在130KW以上的海运柴油机发动机，包括应急动力引擎，NOx排放物有以下规定限制：<17g/kWh ( n<130rpm); <45g/kWh (130<n<2000rpm); <9.8g/kWh (n>2000rpm); 其中n代表发动机轴每分钟转数。
　　SOx的限制标准取决于燃油的基本硫含量，一般海域和海港区与必须遵守以下规定之一：燃油硫含量为1.5%或者总的SOx排放物不多于6g/kWh（包括主推进动力和辅助柴油动力在内），要达到这些数据，就应使用低硫燃料。
　　在内河水域，环境对船舶的要求越来越高，近年来长江三峡水库区的水域污染已经引起注意，并提到议事日程。船舶对库区水域污染更加突出。对船舶主要排污废水、机舱水的检测结果表明：1997年度船舶石油类污染负荷比达到86.4%，石油类是船舶流动污染源排放的主要污染物。拖轮和客轮排油污染物多。使库区流域内引起污染的主要船舶类型。1997年检测的722艘各类船舶，排放含油废水78189吨，其中石油类污染物2.664吨。以上这些数据表明，船舶对内河水域的污染已经相当严重。发展清洁能源的各种船舶刻不容缓。

　　五、实现清洁能源交通的战略步骤
　　根据氢能和燃料电池技术的发展以及交通工具技术的发展，实现清洁能源战略的步骤，应结合目前交通能源的实际，提出以下步骤：第一，在现有燃料基础上，通过添加氢气，改善内燃机的燃烧过程，降低排放。第二，采用低排放的代用燃料，如天然气、甲醇等；第三，发展燃料电池技术的载运工具。
　　对于目前大型低速海运船舶柴油机，通常使用的燃油均为石油裂解后的渣油，根据其粘度可分为各种级别。这些渣油中含有大量的杂质，在常温下通常为固体状态。使用时将其加热到100-250℃，然后喷射到柴油机的燃烧室燃烧。因而使用该类燃油的燃烧效率低，尾气排放中含有大量的氮氧化物、碳氧化物及其硫等有害气体。在燃油中加入少量的氢气，由于氢是无碳燃烧，且燃烧速度快，氢的加入造成燃烧室的稀薄燃烧，由大量的过量空气系数，从而提高燃烧效率和减少CO、NOx和碳微粒的产生，实现高效低污染的燃烧过程。
　　柴油机掺氢燃烧的基本原理与系统，如图2所示。将贮氢合金做成贮氢容器，贮氢容器的放氢过程由来自与废气涡轮的低品位热源加热控制。氢的来源一方面来自氢气厂；另一方面（仅对油轮而言）可以来源于船舶自身运输的天然气或石油原油蒸发气通过精整得到的氢气。

    试验研究表明，在柴油机中掺加氢气燃烧由于燃烧效率的提高，再加上氢气本身的燃烧热值，因而可以减少燃油10%-15%，在柴油机处于低负荷时尤其明显。通过对掺氢燃烧的柴油机排气废气的烟度测试，表明掺入少量的氢气可使排气的烟度减少一倍，排放有害物质的氮氧化物和碳氧化物的数量大大减少，有利于环境的保护。
    燃料电池技术应用船舶必须经历以下几个阶段：
　　● 概念化方案
　　● 研究开发方案
　　● 中间试验与验证方案
　　● 商业化尝试
    根据对这些阶段的界定，燃料电池在商船上的应用尚处于概念化方案的阶段和研究开发阶段的过渡。尽管在世界范围内已经作了大量的研究工作，但是这些系统成本太高，只有军用舰船已经采用燃料电池发电电力推进系统开始服役。如德国军方于2003年4月下水的U31潜艇，2004年5月下水的U32潜艇。采用的是质子交换膜燃料电池PEMFC的发电系统。这个系统由9组质子交换膜燃料电池、14吨液氧贮存柜和金属氢化物贮存的1.7吨气态氢贮存柜等3部分组成。它的燃料电池尺寸小，无腐蚀，功率密度大，使用寿命长，运行无噪音无震动。U31潜艇的水下可在水下连续潜行 3周，续航力达到1638海里。而传统的柴-电动力系统潜艇在水下潜航2～3天，就会耗尽电池电量，必须浮上水面借空气给蓄电池充电。德国目前还有三艘同样的212A级潜艇在建造中，意大利军方订购的两艘同样的潜艇正在试验运行，将于2005年服役。
　　燃料电池应用于商船具有十分明显的优势：节省燃料、减少排放，运行成本比较低等。但是目前的燃料电池成本还比较高，船主难以接受。另一方面，系统本身的技术完善和燃料的补给还受到一定的制约。欧盟在燃料电池船舶的研发上，组成了一个有几十个单位联合的研发联合体。研究结果表明：燃料电池特别适合于船舶下列用途：
　　● 应急电源：如用于客轮、渡轮
　　● 发电设备：特别适用于停泊时会严重污染环境的船舶，如集装箱船；
　　● 发电/推进装置：用于特别需要降低噪音的船舶，如旅游船、客船和科研船；
　　● 推进装置：用于装运液态氢气或者甲烷船，液化天然气船等。
    船用燃料电池系统的燃料，一般来讲，高温和低温燃料电池都可以应用于船舶。燃料电池的燃料可以是氢气、天然气、液体碳氢化合物等等选择。燃料中的硫会加大地增加燃料系统的复杂性，使用物流燃料是最佳选择。在近期，氢是大多数应用情况下的选择，但是由于氢具有的较低的体积能量密度，船舶上携带容量有限，因而氢在商船上应用被限制在内河、水库库区和沿海运输船舶上，可以比较容易得到燃料氢的补给。
    但对于海上长途运输船舶，应该使用具有较高能量密度的液体碳氢燃料。这些燃料可以使用再生能源合成，例如生物质能源合成甲醇等。考虑到现有的能源供应体系，燃料电池的燃料应当与现有燃料体系相衔接。例如汽车船舶使用的柴油和汽油。燃料电池有其低的Nox、CO、 CO2和无SOx排放的优点，高温燃料电池相对于内燃机还有很高的效率。因此，低温燃料电池采用较低密度的氢气作为燃料可以应用于近距离的船舶运行；而高温燃料电池采用高能量密度的液体燃料，可以用于长距离运输的商业船舶。

　　六、加速清洁能源技术推广的对策
    1、发挥技术进步的促进作用  氢能和燃料电池技术是一项高新技术，由许多的技术难题，需要我们去攻关，去解决。如计算机应用到运输工具上的可靠性问题，滇池性能的一致性问题、燃料电池制造成本问题、交通工具的协调问题等等。这些技术难题的解决，需要社会各个方面的联合攻关。目前已经形成的产、学、眼界和的研究模式，是推动电动汽车的发展的有效模式。而国内在电动船舶的研发方面刚刚起步，也需要采用这样的产、学、严的研究模式，促进商船应用。
　　2、发挥政府行为的主导作用  电动汽车和电动船舶在形成场液化和商品化之前，其经济效益表较差，难以吸引企业的积极投入。同时发展轻能和燃料电池技术等情节能源技术是关乎交通可持续发展和环境的可持续发展的问题，市政府重点关注的交通、经济和环境的可持续发展问题。因此，在目前的情况下，必须发挥政府行为的积极引导和主导作用，加大投入力度，一幅吃请能和燃料电池技术的发展及其应用。
　　3、发挥市场机制的利益驱动作用  加速电动船舶的推广应用，必须制定相应的优惠政策。制定相应的法律法规，对燃油内燃机用户收取一定的排污费，给电动船舶和汽车企业一定的补贴。建立专项基金，对购买情节能源技术传播的用户一定的直接补贴。对投入运营的清洁能源技术运输工具在各种收费上给于优惠和扶持。
　　4、建立三峡库区示范航线  在三峡库区首先建立示范航线，积极普及清洁能源技术传播知识，提高公众对情节能源技术运输工具的共识和认同。
　　5、积极开展国际合作  在原有的国际合作基础上，利用政府的合作渠道，继续扩大国际交流与合作的范围和规模，在项目研究开发合作、关键零部件引进方面取得新的进展。同时，鼓励和支持企业与研究机构之间开展多种形式的国际合作，加快缩短国内外差距，提高我国的自主开发水平。