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氢燃料内燃机研究现状与展望
刘福水,周磊,孙柏刚
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)
摘要:
本文以氢内燃机的研发为核心,探讨了中国的氢能源动力的开发和利用的现状及发展。
全文共由五部分组成,第一部分是关于世界能源现状及我国面临的能源问题的概述。
第二部分主要涉及中国的氢能源经济模式问题的讨论。
我们在第三部分里对比分析和讨论了氢作为车用动力的利用途径。
第四部分是全篇的核心,该部分在分析了氢内燃机的优势和特点之后,详细介绍了北京理工大学的氢内燃机研发项目的最新进展。
最后,本文分析和展望了中国氢内燃机研发的广阔前景。
关键词:
氢能源;氢内燃机;氢经济
TheCurrentStatusandFutureDevelopmentofHydn^enInternalCombustionEngine
LIUF\i-shui,ZHOULd,SUNBai-gang
(BeringInstituteofTedinoiogy,SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,Be胡ng,100081)
Abstract:
HiedevelqjmentandutilityofhydrogenenergyinChinaisaddressedfromtheresearchanddevelopmentof(HICE)hydrogeninternalcombustionengine.Itconsistsoffivepartsinthispaper.Abriefintroductionoftheenergycrisisandenvironmentprotectionisgiveninthefiretpart.ParttwoconcernsitselfwiththemodeofhydrogenenergydevelopmentinChina.Thecompanionandanalysisoftheutilityabroachofhydrogenenergyforvehiclefonnthefocusofpartthree.Partfouristhecoreofwholepaper,basedontheanalysisoftheadvantagesandcharacteiisticsofHICE,theHICEleeearchinBeijingInstituteofTechnologyisintroducedindetailsinthispait.Finally,the{HospectofHICEdevek^xnentinChinaisdiscussed.
Keywords:
Hydrogenenergy,Hydrogeninternalcombustionengine,Hydrogeneccmomy
引言
能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题,也是制约工业社会进一步发展的主要障碍,我国作为高速建设中的发展中国家和能源消费大国,也同样面临着严峻的能源和环境形势。
降低原油对外依存度,既关系到国家的能源安全,也关系到国家经济运行的安全。
新能源开发利用是解决能源、环境和经济可持续发展的战略选择。
氢作为一种可再生清洁燃料,不仅储量丰富,而且从终极的意义上解决了含碳排放物带了的危害,已经得到全世界的极大关注。
“氢能源经济”的概念已经在西方国家得到了广泛认同。
以氢气作为未来燃料,用可再生能源系统制取氢气,然后将氢气作为载体用来储存能置,是提升我国能源利用水平的重要途径之一。
氢燃料内燃机经过燃烧过程把氢能转化为机械能,是一种新型内燃机,既可以利用氢能源清洁、可再生的特点,又可以充分利用目前已经建立起来的内燃机工业基础,且氢燃料内燃机热效率较高,生产及使用成本低,在使用性能、成本等方面较容易被广大用户所接受。
现在,以氢气作为内燃机燃料已经被汽车行业公认为是近阶段以及未
来•段时期内狙能用于汽车的最现实、最经济的途径。
同时,开发和使用狙燃料动力也是我国建立氢能源经济模式的重要而乂合理的切入口:
1世界能源现状及我国面临的能源问题
1.1石油资源危机
自1981年以来,每年全球石油消能说已超出其年产量,以往的储备石油正面临者被消耗殆尽的危机一根据国际石油组织的测算(图1、图2),全世界石油最终产屋大约为1750Gb.如果没有新的能源取代石油,这•上大赋予人类的最丰厚的宝藏.将在50至100年之内枯竭而这将
很有诃能引发第二次甚至是永久性的石油价格上涨
图l世界上石油资源勘明•与消耗量的关系 图2世界石油产■预测
1.2环境污染
一个世纪以来.世界的化石燃料消托成指数增长,从而导致了一系列的环境问题,例如地方空气污染、酸雨以及能够引起土壤和水质恶化的污染物大量排放在人为大气污染源中(图3),约有80%的一氧化碳产生于内燃机燃烧过程(包括路用及非路用车辆中的内燃机),95%的-•轲化氮来自于所有类型内燃机里的燃料燃烧,而内燃机则向大气中释放出了超过40%的挥发性有机物质:
由此可知,内燃机是主要的空气污染源,
图3大气排放的来源组成
1.3温室气体排放
作为化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳的排放在传统内燃机中是不可能显著降低的联合国政府间气候变化小组的研究显示,口工业革命以来,温室气体,尤其是二氧化碳的浓度显著增长引起r地表温度的持续上升(图4)。
在过去的一百年中,地表温度已上升ro.6度(图5).、当今世界正面临着控制温室气体排放,改善气候变化的巨大挑战,为保护我们生存的环境,人类必须大规模减少温室气体排放.防止人为气候变化
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大会
图4近百年来大气中二叙化碳含■的变化 85近百年来地球表面温度的变化
1.4我国面临的环境和能源问题
我国是资源相对匮乏国家:
2003年底,国务院发展研究中心的一份研究报告指出.中国人均能源可采储量远低「世界平均水平.我国面临矿石能源特别是石油能源度直短缺的问题,随着经济的快速增长.1994年我国已开始成为石油纯进口国c一旦进口石油受到国际政治经济等因素的影响.将严重威胁国家安全,动摇我国整个国民经济的发展
在油价高企、能源短砍的国际环境之下.许多国家能源安全提升到国家战略安全的高度,把发展新能源作为种战略选择,在今后世界上的竞争中.谁先解决町再生能源问题,谁就能确保可持续发展的能源基础.站在绝对有利的地位-面对严重的形势,中国政府与世界其他国家一样.积极研究、开发和利用新能源.而且,作为全球最大的发展中国家,我国的各种气体排放物在逐年增加.国际环境组织预计:
到2100年.我国的碳排放地将占全球的半左右(如图6)因此,我国在提高自身的工业化水F和高速发展的同时.还要对全球的环境保护承担应有的责任,为维系人类世界可持续发展作出贡献.
氢魅料动力的开发和应用.将有效缓解我国能源紧张的局面,可以使我国在新世纪能源的竞争中处于领先地位。
以氢燃料内燃机逐步替代燃用石油产品的内燃机对f逐步塑脱对石油资源的依赖和降低有害气体和温室气体排放具有十分重要的战略意义(图7),是维护国家能源安全、保障社会持续发展的迫切需要
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〈卜中・工业■侏工业协会
图7我国对进口原油的依赖度
2氢燃料的优越性
图8列出了传统内燃机的通用化学反应式。
从图中可以看出,CQ是化石燃料燃烧的主要生成物,也是温室效应的主要来源;而CO、HC和颗粒物是内燃机排放的主要污染物,只有水是无污染生成物。
温室气体和污染物的主要来源就是燃料中的碳。
换句话说,燃料中的“碳”是环境污染的重要根源。
因此,“无碳、可再生燃料”是理想的未来燃料。
显然,以氢作为燃料是解决内燃机燃烧有害排放的根本途径。
图8传统内燃机对环境的危害原因分析式
氢作为燃料的优点十分明显。
首先,氢是清洁的、可再生的燃料,燃烧产物是水和少母的氮氧化物;电化学燃烧(例如在燃料电池中)的产物只有水,决不产生化石燃料燃烧时产生的环境污染物。
另外,氢具有广泛来源、氢是自然界最普遍存在的元素,是取之不尽、用之不竭的清洁能源。
氢的热值高,与其他燃料相比,单位质量发出的能量,即比能量最高。
若将氢作为内燃机的燃料,则从终极意义上规避了含碳物质的排放,不仅解决了化石类原料的CO和HC的排放问题,也不会产生温室气体的排放。
既解决了能源危机的问题,也大大地降低了有害气体和温室气体的排放。
由此可见,以氢代替石油制品作为交通能源,实现氢能汽车、氢能火车、氢能飞机以及氢能发电,则氢气的生产规模必将大大地扩展,并由此形成立足于氢动力的氢能源模式和氢经济体系0
3中国的氢能源经济
3.1氢的来源
氢的来源是氢动力面临的普遍问题,我国已经在氢能的规模制备、储运方面的进行了大量的基础性和应用性研究,取得了一系列的研究成果。
与氢燃料电池相比较,氢燃料内燃机的另一个重要的优势就是可以应用纯度不是很高的工业废狙等。
3.1.1电解水制氢
水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。
水为原料制氢过程是氛与氧燃烧生成水的逆过程,因此只要提供一定形式一定的能量,则可使水分解。
提供电能使水分解制得氢128
中盘能大会
气的效率一般在75~85%,其工艺过程简单,无污染,但消耗电量大,因此其应用受到一定的限制。
国外已进行太阳能氢能系统实验性研究,随着太阳电池转换能量效率的提高、成本的降低及使用寿命的延长,其用于制氢的前景不可估量。
供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢,达到储能的目的,如图9所示
图9利用电网负荷峰谷差制氢示意图
3.1.2矿物燃料制氢
以煤、石油及天然气等化石燃料为原料制取氢气是当今制取氢气最主要的方法。
用化石燃料制氢的方法包括含氢气体的制造、气体中CO组份变换反应及氢气提纯等步骤。
该方法在我国都具有成熟的工艺,并建有工业生产装置,在现阶段是最经济的制氢方法。
但这种方法没有摆脱人类对化石燃料的依赖问题,不能从根本上解决即将出现的能源危机。
3.1.3生物质制氢
生物质资源丰富,是重要的可再生能源。
生物质可通过气化和微生物制氢,目前这种方法的主要问题是成本太高,难以推广普及。
(1) 生物质气化制氢
将生物质原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型,在气化炉(或裂解炉)中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料气,然后再通过裂解、提纯的方法制取氢气。
国外采用生物质气化已能大规模生产水煤气,其氢气含量大大提高。
(2) 微生物制氢
微生物制氢技术亦受人们的关注。
利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。
生物质产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。
光合作用细菌产氢采用各种工业和生活有机废水及农副产品的废料为基质,在产氢的同时可净化废水并获单细胞蛋白,一举三得,很有发展前途。
3.1.4各种化工过程副产氢气的回收
多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气。
据初步统计,我国每年的工业废氢产量达390亿立方米。
如能采取适当的措施进行氢气的分离回收,这些工业废氢可以驱动156万辆运营(按每辆车日平均运行2小时,平均功率为50kW计)。
由于工业废氢中含有CR、CO等物质,在燃料电池中无法直接使用,提纯工艺不但复杂、且成本会大幅度增加。
而内燃机对氢的纯度几乎没有要求,CHoCO等也属于可燃物质。
因此,工业废氢经过简单处理后
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