氫燃料汽車技術Contents氫能源的發(fā)展背景一二氫燃料儲運技術三氫燃料技術在汽車上的應用四氫能源未來展望五氫燃料制取技術一.氫能源的發(fā)展背景

1.1目前能源結構與現(xiàn)狀1.2傳統(tǒng)能源帶來的問題1.3發(fā)展氫能源的原因1.4氫能源發(fā)展史世界一次能源的資源量（以2009年的開采速度）石油：45.7年天然氣：62.8年煤炭：119年1.1、目前的能源結構與現(xiàn)狀世界石油天然氣煤其他從圖表中可以看出：世界能源主要依賴不可再生的化石資源中國一次能源需求

中國2005年的一次能源需求總量（其它指交通運輸、農業(yè)、服務業(yè)及未指明的行業(yè)）

我國能源結構面臨經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的雙層壓力

資源問題國際原油價格（美元/桶）石油價格長期上升趨勢明顯，油價日益高昂已成為經(jīng)濟不能承受之重。1.2傳統(tǒng)能源帶來的問題數(shù)據(jù)來源：EIA環(huán)境問題圖2：世界主要國家CO2排放比例能源大量消耗帶來溫室氣體排放問題，是造成氣候變化主要原因。圖3：各國汽車減排目標數(shù)據(jù)來源：招商證券各國紛紛制訂標準，降低汽車排放中二氧化碳對環(huán)境的影響。1.2傳統(tǒng)能源帶來的問題城市環(huán)境問題加劇

如果到時候還沒有找到真正能夠取代石油的新能源，必將出現(xiàn)大面積的經(jīng)濟恐慌，許多國家正為此不斷付出政治和資金上的代價。例如美國對利比亞、伊拉克的戰(zhàn)爭實際上是為了它們的石油。政治與安全問題薩達姆卡扎菲1.2傳統(tǒng)能源帶來的問題我國2007年進口原油1.63億噸，同比增長12.4%，以此計算，我國石油對外依存度已接近50%。據(jù)預測，至2020年，我國機動車要消耗2.56億噸石油，占全國石油消費總量的86%左右，石油供應的依存度可能上升至80%左右。從汽車行業(yè)自身層面講，解決石油短缺限制發(fā)展的問題，現(xiàn)實的選擇是從節(jié)約和替代兩個方面入手，即大力發(fā)展節(jié)能汽車和清潔替代燃料（新型能源）汽車。目前，我國的生態(tài)環(huán)境形勢不容樂觀，某些地區(qū)已相當嚴峻，危及到人們的正常生活及生存，如不加以改變，則與我國建設小康社會的目標背道而馳。實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的問題1.2傳統(tǒng)能源帶來的問題

煤炭石油等礦物燃料的廣泛使用，已對全球環(huán)境造成嚴重污染，甚至對人類自身的生存造成威脅。礦物燃料的存量，是一個有限量，也會隨著過度開采而枯竭。當前在設法降低現(xiàn)有常規(guī)能源（如煤、石油等）造成污染環(huán)境的同時，清潔能源的開發(fā)與應用是大勢所趨。1.3發(fā)展氫能源的原因1.3.1常規(guī)能源帶來的壓力1）氫是宇宙中最豐富的元素，在地球上的含量排第三。2)除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)存在，主要存在水中。3)若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍。4)氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡－不存在枯竭問題。1.3.2氫資源十分豐富1.3.3氫氣是最清潔的燃料1)氫是“和平”能源

——中東戰(zhàn)爭。

2)氫是安全能源

——氫的擴散能力很大，不具放射性。

3)氫可由多種一次能量制出故沒有資源的限制。

4)與長年累月生成的化石燃料不同，氫來自水燃燒后又回歸于水，不影響地球上的物質循環(huán)。

5)與電力儲藏困難相反，儲運方式多－氣體、液體、固體或化合物。

6)氫能的利用途徑多－燃燒放熱或電化學發(fā)電。

7)氫與儲氫材料之間的可逆反應具有能量轉換功能。8)氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔。名稱氫氣甲烷汽油乙醇甲醇燃燒值/kJ·kg-1121,06150,05444,46727,00620,254表3-1幾種物質的燃燒值

氫的燃燒熱值高

高于所有化石燃料和生物質燃料1.3.4良好的燃燒特性氫的燃燒穩(wěn)定性好

燃燒充分孕育期1766年，英國的卡文迪許從酸和金屬的作用所得氣體中發(fā)現(xiàn)氫，即以希臘語“水的形成者”命名。在Vada制成第一個電池之后不久的1818年，英國利用電流分解水有目的的產(chǎn)生了氫氣。1820年劍橋大學的WilliamCecil建議將氫氣用于動力機器1839年WilliamGrove首次提出燃料電池1874年儒勒凡爾納(JulesVerne)的科幻小說《神秘島》中描寫有個使用水作為燃料的小島。這種無限的和普遍存在的能源的想法激發(fā)隨后數(shù)十年的讀者的思考。1.4氫能源發(fā)展史氫能源發(fā)展史－童年期19世紀氫能動力汽車的創(chuàng)始人之一Lawaczek（德國）就說自己受到凡爾納的科幻小說的啟發(fā)。凡爾納的預測至今還印在國際氫能學會宣傳材料的頭版頭條。氫燃料的現(xiàn)代研究始于二十世紀20年代的德國和英國。1923年劍橋大學的Haldane提出用風力發(fā)電作為電解水的能源。此設想在半個世紀后才得以實現(xiàn)。1928年德國的氫技術先驅RudolphJrren獲得了他的第一個氫氣發(fā)動機專利。氫能源發(fā)展史－成長期氫作為“能量載體”或者”能量媒介”的想法產(chǎn)生于二十世紀50年代核能的發(fā)展。西班牙的著名氫能量載體提倡者－Marchetti提出原子核反應器的能量輸出即可以以電能的形式傳遞，也可以以氫燃料的形式傳遞。Marchetti指出氫氣形式的能量可以比電能更穩(wěn)定地儲存，并且氫氣的輸送成本（傳遞單位熱能）將比電力更低，此事實后被工程數(shù)據(jù)所證實。氫能發(fā)展史－發(fā)展期1970年，通用汽車公司的技術中心提出“氫經(jīng)濟”的概念，主要的思路是利用大型核電站的電力電解水制氫。1974年，受石油危機的影響和啟迪，一些學者組建了國際氫能協(xié)會(InternationalAssociationforHydrogenEnergy,IAHE)。IAHE隨后創(chuàng)辦了《國際氫能雜志》并舉行了兩年一次的世界氫能大會。氫能發(fā)展史－步入工程探索階段二十世紀80年代，德國認真地提出HYSOLAR計劃，它是德國/沙特在阿拉伯半島的項目，計劃用沙漠地帶的太陽能制氫。改項目已經(jīng)過實驗示范了太陽發(fā)電和電解的直接結合，示范功率達到350kW。德國還考慮利用加拿大廉價的水電就地電解水制氫，液化后用船運輸液氫到歐洲。氫能發(fā)展史－為科學家認可近年來燃料電池技術—低溫的質子交換膜燃料電池和高溫的固體氧化物燃料電池—發(fā)展迅速，被廣泛認為將成為未來人類社會中主要的動力來源，尤其是用于發(fā)電和交通工具方面而燃料電池最適宜的燃料就是氫。因此，科學家們預測，氫能將與電能一起成為未來能源體系的兩大支柱。

氫能發(fā)展史－獲得社會廣泛共識2000年，IAHE組織新的系列會議－國際氫能論壇(Hyforum，新詞，為Hy-和Forum的組合，近年來，又出現(xiàn)氫時代，Hytime)。第一屆國際氫能論壇于2000年在德國慕尼黑舉行，第二屆氫能論壇于2004年在我國北京舉行?！癏yforum”邀請政治家、科學家、企業(yè)家、投資者和工程師等共居一堂，商討如何為人類提供賴以生存的、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源－氫。二.氫燃料制取技術氫能是一種二次能源，在人類生存的地球上，雖然氫是最豐富的元素，但自然氫的存在極少。因此必須將含氫物質分解后方能得到氫氣。最豐富的含氫物質是水（H2O），其次就是各種礦物燃料（煤、石油、天然氣）及各種生物質等。因此要開發(fā)利用氫能這種理想的清潔能源，必須首先開發(fā)氫源，即研究開發(fā)各種制氫的方法。

1.化石燃料制氫—目前主要的制氫方法成熟、廉價，但資源和環(huán)境問題并未解決2.生物質為原料制氫光合效率、水土面積、集中和儲運成本等問題3.水分解制氫

利用光化學、熱化學和電化學方法制氫。然而，太陽能的收集、高品質熱能和電能的產(chǎn)生方法，都是首先要解決的問題。氫燃料的制取技術合成氨：50％石油精練：37％甲醇合成：8％全球年產(chǎn)氫：5000億Nm3化石燃料制氫占96%(1)甲烷重整(SteamMethaneReformation,SMR)1、化石燃料制氫SMR反應利用有機物高溫下與水的反應，不僅自身脫氫，同時將水中的氫解放出來。此法也適于生物質制氫。(2)天然氣熱解制氫將天然氣火焰在裂解爐加熱到1400℃，關閉裂解爐使天然氣發(fā)生裂解反應，產(chǎn)生氫氣和碳黑。裂解爐CH4H2碳黑甲烷的部分氧化：

CH4+O2→CO(g)+H2(g)氫燃料的制取技術(3)煤汽化：

C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)(4)重油部分氧化CnHm+O2

→CO（g）+H2（g）

CnHm+H2O→CO（g）+H2（g）H2O+CO→CO2（g）+H2（g）2、電解水制氫

正極：2OH－

H2O+?O2+2eφ=0.401V負極：2H2O+2e

2OH－

+H2φ=－0.828V(1)堿性水溶液電解2OH-

H2O＋?O2+2e2H2O+2e

2OH-+H2采用Ni或Ni合金電極，效率～75％SPE電解水技術的主要問題是質子交換膜和電極材料的價格昂貴。(2)質子膜電解水發(fā)生器隔膜:全氟磺酸膜(Nafion)陰極:Pt黑陽極:Pt、Ir等的合金或氧化物氫燃料的制取技術3、生物質制氫(1)生物質能的特點可再生性，生物質能通過植物光合作用再生，可保證其永續(xù)利用；低污染性，生物質硫、氮含量低、燃燒生成SO2等較少，生長時所需CO2相當于排放量，因而CO2凈排放量近似于零，可減輕溫室效應；廣泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物質能；總量十分豐富，僅次于煤炭、石油和天然氣。(2)生物制氫技術藻類和藍細菌光解水；光合細菌光分解有機物；有機物發(fā)酵制氫；光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運用生物質熱解或氣化制氫。氫燃料的制取技術

4、光催化制氫體系氫燃料的制取技術5、太陽能制氫太陽熱分解水制氫太陽能電解水制氫太陽能光化學分解水制氫太陽能光電化學分解水制氫模擬植物光合作用分解水制氫光合微生物制氫6、病毒提取氫提出者：美國女科學家安琪拉·貝爾徹M13病毒進行基因改造后，再讓它吸附一個催化劑分子氧化銥和一個吸光物質鋅卟啉，吸光物質源源不斷地將陽光沿著病毒傳遞。在這樣一個過程中，病毒充當了太陽能的傳輸通道，可以把太陽能從吸光物質傳輸?shù)酱呋瘎Ｔ诖呋瘎┖吞柲艿墓餐饔孟?，水就分解成了氫氣和氧氣。把氫氣進行液化和壓縮，就變成了高效清潔的綠色能源。比起太陽能電池板分解氫氣，用病毒制造氫氣的效率提高了4倍。三.氫燃料儲運技術氫能的儲存與輸運是氫能應用的前提。但氫氣無論以氣態(tài)還是液態(tài)形式存在，密度都非常低，氣態(tài)時為0.08988gL-1(約為空氣的7%)，液態(tài)(-253℃)時為70.8gL-1(約為水的7%)。燃料氣態(tài)(20℃、1atm)液態(tài)(沸點、1atm)絕對值

/kgm-3相對于氫絕對值

/kgm-3相對于氫氫氣0.089881.0070.81.0甲烷0.658.13422.86.0汽油4.455.0700.09.9幾種常用燃料的氣態(tài)和液態(tài)下的密度

氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃(4-75%)、易爆(15-59%)，這就為儲存和運輸帶來了很大的困難。當氫作為一種燃料時，必然具有分散性和間歇性使用的特點，因此必須解決儲存和運輸問題。儲氫和輸氫技術要求能量密度大(包含單位體積和質量儲存的氫含量大)、能耗少、安全性高。當作為車載燃料使用(如燃料電池動力汽車)時，應符合車載狀況所需要求。一般來說，汽車行駛400km需消耗汽油24kg，而以氫氣為燃料則只需要8kg(內燃機，效率25%)或4kg(燃料電池，效率50-60%)。3.1氫氣儲存和輸運中的考慮因素總體說來，氫氣儲存可分為物理法和化學法兩大類。物理儲存方法主要包括液氫儲存、高壓氫氣儲存、活性炭吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存、玻璃微球儲存、地下巖洞儲存等?；瘜W儲存方法有金屬氫化物儲存、有機液態(tài)氫化物儲存、無機物儲存、鐵磁性材料儲存等。氫氣的輸運與氫氣儲存技術的發(fā)展息息相關，目前氫氣的運輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲氫、配位氫化物儲氫等技術尚有待成熟。3.2氫氣的儲存和輸運方法

Linde水冷液氫儲罐實際產(chǎn)品及裝配汽車照片注：該裝置一次可儲氫3.1kg，裝配于GM的HydroGen3汽車上，蓄駛里程為170英里。美國QUANTUM公司開發(fā)的第4類車用壓力儲氫裝置3.3金屬氫化物儲氫把氫以金屬氫化物的形式儲存在合金中，是近30年來新發(fā)展的技術。原則上說，這類合金大都屬于金屬間化合物，制備方法一直沿用制造普通合金的技術。這類技術有一種特性，當把它們在一定溫度和壓力下曝置在氫氣氛中時，就可以吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物。生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣，利用這一特性就可以有效地儲氫。金屬氫化物儲氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲存容量。但由于成本問題，金屬氫化物儲氫僅適用于少量氣體儲存。

注：由表可見，有些金屬氫化物的儲氫密度是標準狀態(tài)下氫氣的1,000倍，與液氫相當，甚至超過液氫。儲氫介質氫原子密度/1022個cm3儲氫相對密度含氫量(質量分數(shù))/%標態(tài)下的氫氣0.00541100氫氣鋼瓶(15MPa)0.81150100-253℃液氫4.2778100LaNi5H66.21,1481.37FeTiH1.955.71,0561.85MgNiH45.61,0373.6MgH26.61,2227.65某些金屬氫化物的儲氫能力3.4氫的輸運壓縮氫氣的運輸壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車或管道輸送，氣瓶和管道的材質可直接使用鋼材?，F(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采取措施預防氫脆所帶來的腐蝕問題。運輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點是能量密度高(1輛拖車運載的液氫相當于20輛拖車運輸?shù)膲嚎s氫氣)，適合于遠距離運輸(在不適合鋪設管道的情況下)。若氫氣產(chǎn)量達到450kgh-1、儲存時間為1天、運輸距離超過160km，則采用液氫的方式運輸成本最低，金屬氫化物運輸方式也很有競爭力。但運輸距離若達到1,600km，液氫運輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠锏?倍，比壓縮氫氣低7倍。3.4氫的輸運四.氫燃料技術在汽車上應用4.1氫燃料電池技術4.2氫燃料發(fā)動機技術

4.3其它技術4.1.1什么是燃料電池？

燃料電池是在等溫條件下，通過電化學反應過程，將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉變?yōu)殡娔芎蜔崮艿囊环N能量轉換裝置。 燃料電池的工作原理類似于日常所用的鋅錳干電池。與干電池一樣，燃料電池無運動部件，工作時不發(fā)出噪聲，不排放（或僅排放少量的)有害氣體。與干電池所不同的是，只要不斷地輸入燃料和氧化劑，燃料電池能夠連續(xù)地提供電能及熱能。其電能轉換效率高于目前常用的發(fā)電裝置，理論上可以高達90%。4.1氫燃料電池技術4.1氫燃料電池技術無污染，只有水排放。用它裝成的電動車，稱為“零排放車”無噪聲，無傳動部件起動快，8秒鐘即可達全負荷4.1.2氫燃料電池的特點4.1.3氫燃料電池的基本構成4.1.4氫燃料電池的工作原理4.1.5燃料電池的類型堿性燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池磷酸型/質子交換膜燃料電池固體氧化物燃料電池4.1.6燃料電池的效率4.1.7燃料電池汽車上的應用各種氫燃料電池車通用雪佛蘭Equinox氫燃料電池車一次性加滿氫燃料后的最大行駛里程約為240公里

帕薩特領馭燃料電池轎車

一次加滿燃料的續(xù)航里程達235公里，最高時速為145公里/小時。與傳統(tǒng)燃料、汽油等車型相比，能量轉換效率高達80%，是普通內燃機的3倍。凱迪拉克Provoq概念車這款車搭載最新e-flex氫燃料電池驅動系統(tǒng)，通過氫燃料轉化成電能作為動力。該車一次續(xù)航里程可達483公里，百公里加速僅為8.5秒。上市時間2011年?，F(xiàn)代i-Bule概念車這是一款全新的2+2多用途CUV車型，搭載氫燃料電池，最大功率達136馬力。充滿氫燃料后，續(xù)航距離能達600公里，它的最高車速為165公里/小時。上市時間2012年。形形色色的氫燃料電池汽車4.1.7燃料電池汽車上的應用4.2

氫燃料發(fā)動機技術氫燃料發(fā)動機——以氫為主要燃料的發(fā)動機。一般的內燃機，通常注入柴油或汽油，氫汽車則改為使用氣體氫。氫內燃機在汽車上的應用方式又有3種：純氫內燃機、雙/多燃料內燃機、氫混合燃料內燃機。氫內燃機按其來源可分主要為2種：傳統(tǒng)內燃機的改進、新研發(fā)。

轉子發(fā)動機又稱為米勒循環(huán)發(fā)動機，由德國人菲加士?汪克爾發(fā)明，之后這項技術由馬自達公司收購。我們都知道：傳統(tǒng)的氣缸往復運動式發(fā)動機，工作時活塞在氣缸里做往復直線運動，而為了把活塞的直線運動轉化為旋轉運動，必須使用曲柄連桿機構。轉子發(fā)動機則不同，它直接將可燃氣的燃燒膨脹力轉化為驅動扭矩。與往復式發(fā)動機相比，轉子發(fā)動機取消了無用的直線運動，因而同樣功率的轉子發(fā)動機尺寸較小，重量較輕，而且振動和噪聲較低，具有較大優(yōu)勢。轉子發(fā)動機簡介轉子發(fā)動機結構特點1.機械結構不同于傳統(tǒng)發(fā)動機，主要由繭形殼體和安置于客體中的三角形轉子組成.2.缸體內部空間被轉子分成三個工作室。3.主軸為偏心軸，主軸齒輪由主軸驅動旋轉，轉子圍繞主軸齒輪邊自傳邊擺動，使轉子與缸體圍成的各工作室容積隨轉子的轉動不斷變化，從而使各工作室能在擺線形缸體內的不同位置依次完成進氣、壓縮、做功、排氣四個工作過程。因轉子發(fā)動機將可燃混合氣燃燒所產(chǎn)生的膨脹壓力直接轉化為三角形轉子和偏心軸的轉動力，所以不設曲柄連桿機構。4.發(fā)動機采用控制進排氣通道的方式來控制混合氣的進入和廢氣的排出，進氣口和排氣口依靠轉子本身的運動來實現(xiàn)打開和關閉，不需要配氣機構。工作室進氣孔排氣孔冷卻水套缸體火花塞主