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氢能的应用论文
绿色能源氢能及其在汽车产业的应用
摘要:
介绍了氢能的特性和氢能汽车动力装置的最新研制、发展动态,通过对氢内燃机(H.I.C.E)和质子膜燃料电池(PEMFC)性能数据比较分析,对21世纪汽车动力装置的发展趋势进行了分析。
关键词:
氢能汽车氢内燃机质子膜燃料电池
Thegreenenergyhydrogenanditsapplicationsintheautomotiveinindustry
Abstract:
IntroducetheCharacteristicsofhydrogenandthenewestdynamicdevelopmentofthehydrogenpowerdevice.Bycomparativeanalysisofperformancedataonthehydrogeninternalcombustionengine(HICE)andprotonmembranefuelcell(PEMFC),thedescriptionofthedevelopmenttrendofthe21stcenturyautomotivepowerdevice.
Keywords:
HydrogenenergyCarHydrogeninternalcombustionengineProtonmembranefuelcell
前言
由于化石能源的使用量逐年攀升,导致地球温室效应引发的异常气象,如海水温度上升,地球沙漠化、飓风等也更加令人担忧,预计2050年化石能源的消费量激增至目前的1.5倍,而作为主要能源的石油产量已接近最高峰,国际原油价格受经济危机影响及石油生产国的国家资源保护主义等因素的制约一再上涨,世界正在以低碳,脱碳为目标,寻找永久的绿色能源。
利用太阳能等自然能源及水生成并利用的氢能,因其周而复始永远能被循环利用,来源广泛,对环境生态友好,可很好地替代化石燃料成为汽车等工业未来重要的替代能源,具有很广泛的市场。
它的开发和应用对人类社会可持续发展具有重要意义。
1利用氢能防止地球温暖化动向
1.1氢气在对地球温暖化对策中的作用及其开发政策
氢能的利用,使能源利用转换效率得到提升,完成了向含碳量少的燃料转换,有利于CO2的人工隔离,因此为了削减CO2的释放,制造时回收CO2更需要导入大量的氢。
根据氢气制备的原料来源可将制氢技术分为四大类:
用水制氢、化石能源制氢、生物制氢和太阳能制氢。
其中前两类是现在国内外使用的主要制氢技术,后两类是现在各国制氢技术研究的热点和未来技术的发展方向。
许多国家都制定了自己的氢能发展战略和技术路线,投入大量资金用于氢能的研究,一方面进一步开发氢能的关键技术,另一方面则是降低氢能的生产、储运和应用过程中的成本,提高其经济性,使其尽快成为一种理想的替代能源[1]。
如美国总统的HFI(HydrogenFuelInitiative)计划、欧洲JTI(JointTec.Initiative)体制下的HFP(EuropeanHydrogen&FCTechnologyPlatform)计划、日本制定COOLEARTH50能量革新计划、韩国的燃料电池开发7年计划、中国的科学技术振兴计划等,都触及到应用大量氢气防止地球温室效应;氢的制造利用中要求控制CO2;期待增大可再生能源的利用。
以COOLEARTH50能量革新计划为例,涉及到电站的高效天然气火力发电、高效煤气火力发电、CO2回收和储存(CCS)、太阳光发电、先进的原子力发电、超导高效送电;运输部门的燃料电池汽车、生物燃料制造、先进的道路交通管理系统(ITS);民政部门的节能住宅、下一代高效照明器、节能型情报机器等;产业制造部门的技术革新、制造加工技术电力储存、氢的制造、运送及储存等。
中国已经形成了一支由高水平研究人员组成的氢能研究专业队伍,并把氢能技术列入中国“十一五”规划和《2015年远景规划(能源领域)》[2]。
1.2氢能的优越性
在可替代能源的研究中,氢能源在汽车行业中的应用是世界各国未来车用能源的研发重点。
氢能具有其它能源无法比拟的优越性:
(1)热值高,氢气燃烧放热量为121061kJ/kg,是汽油的3倍;
(2)燃烧无污染,燃烧产物是水,不会对环境造成污染;(3)来源广泛可再生,不仅化石燃料和生物质中含有丰富的氢,而且水也是最为广泛的氢源,氢由化学反应发出电能(或热)并生成水,而水又可由电解转化为氢和氧,如此循环,永无止尽[2];(4)氢是/和平0能源,因为它既可再生又来源广泛,每个国家都有丰富的/氢矿0,可以不依赖化石能源。
化石能源分布极不均匀,常常引起激烈抗争。
综上所述,氢能是唯一可以同时满足资源、环境和持续发展要求的能源,是其它能源所不能比拟的[3]。
2氢能在汽车产业的应用
2.1氢内燃机汽车的最新发展
氢内燃机汽车用以氢为燃料的H.I.C.E(HydrogenInternalCombustionEngine)作为汽车的动力装置,H.I.C.E的结构和工作原理与传统的内燃机(I.C.E)没有本质的区别。
由于它所使用的燃料与传统的汽油机、柴油机不同,因此需根据氢燃料的特点,对燃料供应系统及燃料燃烧过程的组织作相应的改进设计。
H.I.C.E承袭了I.C.E100多年来发展过程所积累的全部理论和经验的精华,因此发展H.I.C.E没有特别的不可逾越的技术障碍。
德国的BMW公司、Daimler-Benz公司,日本的三菱公司,美国的别林公司受第一次石油危机的启示,在7080年代开始对H.I.C.E进行了全面的、系统性的开发研究。
其中德国BMW公司所取得的成果最令人瞩目,从70~80年代迄今,BMW公司研制的H.I.C.E轿车,三辆装用MAN公司生产的H.I.C.E(排量12L、140kW)公共汽车,已连续运行了多年,至今运行情况良好。
随着1999年5月德国第二个商用加氢站在慕尼黑的落成(第一个加氢站已于1999年1月在汉堡开始商业运作),BMW公司计划再增加15辆使用液氢燃料的大型高级轿车,用于接送到慕尼黑/清洁能源0项目研究中心参观访问的客人。
美国Ford公司的H.I.C.E开发研究计划开始于1998年,Ford公司决定开发H.I.C.E汽车的目的是:
以较低的费用制造出能满足LEV-Ⅱ排放标准的汽车发动机。
经过近2年的
工作也取得了实质性的成果。
通过试验考核,Ford公司研制的H.I.C.E在不采用任何摧化转换装置情况下,HC和CO的排放接近于零,NOx的排放也很低,整个发动机有害物排放达到了LEV-Ò排放标准;H.I.C.E的压缩比为(14~15)B1,A/F(空燃比)接近柴油机的水平,热效率比现在的汽油机高15%左右,并有望提高到25%;由于H.I.C.E采用了稀薄燃烧技术,有效地降低了发动机的最高燃烧温度,从而使NOx的排放量达到极低的程度。
H.I.C.E初期使用H2作为燃料,未来的目标是通过在车上直接重整(如汽油等)碳氢燃料来获得所需的氢燃料。
Ford公司研制的新重整装置启动温度比目前的装置(启动温度800~1300e)低得多。
新装置的重量约50kg,比目前的装置约轻30%左右。
采用新重整装置,H.I.C.E的燃料消耗量可望比传统内燃机低50%。
H.I.C.E目前要解决的主要问题是:
燃料喷射装置的润滑和进一步提高其使用寿命。
为此Ford打算和BMW加强合作,实现强强联合,尽快把H.I.C.E汽车推向市场。
2.2质子膜燃料电池电动汽车的最新发展
自1993年加拿大Ballard公司研制成世界上第一辆PEMFC(ProtonExchangeMembraneFuelCell)公共汽车,1994年Daimler-Benz公司推出第一辆PEMFC轿车以来,在短短的5~6年中,车用PEMFC的综合性能又有新的改进和提高。
Ballard公司继Mark5、Mark700后,于2000年推出了性能及总体构造有很大提高的Mark900车用PEMFC。
表1列出了Mark5、Mark700、Mark900的一些主要性能参数,从表1可以看出最新的Mark900无论在性能、结构等方面都有了质的飞跃。
作为Ballard公司车用PEMFC的合作伙伴,Daimler-Chrysler公司相继开发出PEMFC轿车、微型面包车(Necar1,2,3,4),并
表1Mark5、Mark700、Mark900的主要性能参数
项目燃料电池型号
Mark5Mark700Mark900
纯氢总功率/kW507580
甲醇重整总功率/kW/6675
纯氢升功率/kW#L-1/0.571.04
甲醇重整升功率/kW#L-1/0.500.97
体积/L/13177
正常工作温度/e70~8070~8070~85
最低放置温度/e33-40
最低启动温度/e3/-25
冷却剂水去离子水乙二醇/水
系统构成分散系统分散系统集中系统
与车辆适配性需改型设计需改型设计适配任何车辆
计划推出配置Mark900PEMFC的Necar5轿车。
Ford公司除已在部分P2000配置了Ballard公司的Mark700,并计划将Mark900配置在/FuelCellFocus0样车上。
由于PEMFC性能及结构的改进和提高,配用PEMFC的电动汽车的综合性能也得到改善。
表2列出Necar2、Necar3、Necar4部分性能参数。
表2Necar2、Necar3、Necar4部分性能参数
项目车型
Necar2Necar3Necar4
PEMFCMark5Mark5Mark700
功率/kW505070
乘员6~74~54~5
最高车速/km*h-1110120145
行驶里程/km>238400450
燃料压缩氧气车上重整甲醇液氢
从表2可看出,车用PEMFC性能的改进和提高,PEMFC电动汽车的动力性和经济性也得到提高。
Necar4轿车百公里氢耗折算成柴油,相当于3.2L/100km,与欧洲A级柴油机5.6L/100km的油耗相比降低约43%。
经新的欧州工况法试验,其能量转换效率已达36%,并有潜力达40%,而目前同类型柴油车为24%~25%,汽油车为22%,Necar4提高了近50%。
尽管PEMFC有害物排放能实现ZEV,热效率也比传统的I.C.E汽车高等突出优点,但在目前的技术条件下,PEMFC电动汽车的缺点也是比较明显的。
首先PEMFC的整车重量比同类I.C.E汽车重,Necar4的整车重量为1580kg,而标准A级车的整车重量为1120kg,约重41%;其次,PEMFC汽车的价格也比较贵,例如Mark700PEMFC的制造成本为$30000(而I.C.E的制造成本约为$3000),为I.C.E的10倍。
因此减轻重量和降低成本是目前车用PEMFC改进提高的二个主攻目标。
据有关资料介绍,Ballard公司于2000年推出的Mark900,采用了高度集成化的设计思想和集中控制新技术,使其重量比Mark700下降了30%,体积也大大缩小。
由于Mark900采用大量低成本的材料,如能与自动化大批量生产相结合,其成本有望大幅度下降。
Mark900的推出,使人们看到PEMFC正处在技术突破的关键时刻,在不长的时间内就有可能具备与I.C.E竞争的能力。
另外,作为对环境完全无害的绿色汽车,即使目前仍有一些不足之处,但就其对环境改善所做出的巨大贡献,是无法估量的。
如果说,过去我们对氢能的认识仅仅是纸面上的话,那么2000年10月,GM公司/氢动一号0PEMFC电动汽车在北京的展示,使我们真实地体会到只排水蒸气的PEMFC汽车的无穷魅力,并将对我国氢能汽车的开发研究起到极大的推动和促进作用。
新世纪的大门已经打开,人类从石油能源时代向氢能源时代的过渡已经开始。
我们必须从现在开始瞄准世界的发展水平,积极展开能源的转型工作,使21世纪的H.I.C.E和PEMFC汽车核心技术完全国产化。
3展望
当前制约氢能在汽车中广泛使用的主要问题是不易储存,在使用时必须先将氢制成高度压缩的气态、液态或金属氢化物,且存在诸多问题:
(1)高压氢对金属容器造成的氢脆现象和易泄漏;
(2)液态氢的沸点为-253
℃,氢的液化本身就是一个耗能的过程,开要求使用液态氢发动机能承受液态氢存储时-150-273℃的低温。
要使氢能成为汽车动力,必须解决以上这些问题。
近年来随着氢制取技术和使用技术的不断进步,人们越来越乐观地认识到氢离人们的生活越来越近了。
美国经济学家甚至预言,就象煤让路给石油一样,石油也可能给氢让路。
可以预见,未来世界将从以碳为基础的能源经济形态转变为以氢为基础的能源经济形态(简称/氢经济hydrogeneconomy0)。
参考文献
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