绿色能源氢能及其在汽车产业的应用

课程名 称：节能减排及绿色能源课程代码：6008029题目:绿色能源氢能及其在汽车产业的应用学号:年级/专业/班:2012级暖通1班学院（直属系:建筑与土木工程学院绿色能源氢能及其在汽车产业的应用(姓名：王松；学号：312012080704308;班级：暖通1 班) 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Abstract: Introduce the Characteristics of hydrogen and the newest dynamic development of the hydrogen power device. By comparative analysis of performance data on the hydrogen internal combustion engine (HICE) and proton membrane fuel cell (PEMFC), the description of the development trend of the 21st century automotive power device.Key words: Hydrogen energy Car Hydrogen internal combustion engine Proton membrane fuel cell.0 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。氢能汽车是以氢 为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机，通常注入柴油或汽油，氢汽车则改 为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池的原理是把 氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到 正极，成为电能驱动电动机；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为纯净的水雾 排出。这样有效减少了其他燃油的汽车造成的空气污染问题，高速车辆、巴士、 潜水艇和火箭已经在不同形式使用氢。另一方面能源从来都是个问题，国际上以 氢为燃料的“燃料电池发动机”。技术取得重大突破，而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。用 氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环 境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。在1965年，外国的科学家们就已 设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢 能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长， 最大的优点是不污染环境.氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油 内燃机车的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸 气排出。这些车的问题是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里，很 快便没能量。另一方面，各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间，例如用液 态氢或氢化物。1利用氢能防止地球温暖化动向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（Hydrogen Fuel Initiative） 计 划 、 欧 洲 JTI（JointTec.Initiative）体制下的 HFP （European Hydrogen & FC Technology Pla tform ）计划、日本制定COOLEARTH 50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 COOL EARTH 50 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。1.1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。氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水，不污染环境。氢气可以 从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此 氢能汽车具有广阔的应用前景。推广氢能汽车需要解决三个技术问题：大量制取 廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；解决 氢气的安全储运问题；解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。常见的供给 系统有三种，气管定时喷射式、低压缸内喷射式和高压缸内喷射式。随着储氢材 料的研究进展，可以为氢能汽车开辟全新的途径。科学家们研制的高效率氢燃料 电池，更减小了氢气损失和热量散失。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会 污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。在1965年，外国的科学家 们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第 一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的 寿命长，最大的优点是不污染环境。氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油内燃机车的带小量改动 的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题 是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里，很快便没能量。另一方面， 各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间，例如用液态氢或氢化物。1807年 Isaac de Rivas制造了首辆氢内燃车。可惜该设计甚不成功。宝马的氢内燃车 有更多的力量，比氢燃料电池车更快。宝马的氢汽车以三百公里每小时创下了氢 汽车的最高速记录。2氢能在汽车产业的应用2.1氢内燃机汽车的最新发展通常，燃料电池被认为具有较高的能量转化效率和功率密度，而且氢氧燃料电 池还具有环保无污染的特点。迄今为止，包括丰田、本田、通用、戴姆勒-奔驰、 大众等世界主要汽车制造商都投入了大量资金和技术力量用于燃料电池车的开 发，并取得了相当的成果。2008年4月，日本丰田公司将其FCHV-adv的零排放氢燃料电池车在北京国 际汽车展览会上公开展示。该车最高时速可达155km/h, 次充氢的续驶里程达 到510mile（折合830km），超过一般汽油汽车，给这样一辆车加氢也仅仅需要3min, 完全达到汽油车标准。日本本田汽车公司已经开始在美国推出FCXClarity的租 赁车，该公司预计3年之内的租赁销售额可望达到约200台FCX Clarity。美国通用汽车公司至今已开发出 100 多辆燃料电池汽车，近年来主要成果有 Hy-wire线传控燃料电池车、氢动三号(HydroGen3)燃料电池车、Sequel氢燃料 电池车。该公司计划在2010年设计出具有很强竞争力的燃料电池推进系统，并 在2015年将自己的燃料电池车产业化。戴姆勒-奔驰是世界上最著名的燃料电池 汽车制造商，已经在生产线上开始小批量制造燃料电池车。大众汽车公司参加了 美国加州燃料电池伙伴计划(CaFCP)，其开发的途安HyMotion3燃料电池车参加 了北美08氢公路巡游。大众公司宣布， 他们将在2010年推出基于高温质子交 换膜燃料电池的燃料电池发动机，工作温度将达160C以上，这将大大减少辅助 系统，领先于国际水平。2009年6月冰岛建成560km的氢能高速公路，沿途有7 个加氢站为氢能汽车服务。2009年5月美国加州举办了为期9天、长达2700km 以上的氢燃料电池车拉力赛，途径28个城市；2008年是第一次长距离示范，为 期13天。目前，大多数厂商都预测氢燃料电池车将于2015-2020年实现商业化。我国第一辆氢燃料电池汽车在1999年底展示，其燃料电池由民营企业北京富 源公司提供。“十五”期间，科技部加大对燃料电池研究的投入，仅对燃料电池 车一项，科技部就拨款 3.8 亿元人民币，加上中国科学院、自然科学基金委员 会、地方科委、国有及民营企业资金等，估计带动20亿元人民币。到目前为止， 我国已经自主开发出燃料电池客车10余辆，燃料电池轿车30余辆。我国氢燃料 电池车多次参加国际大赛并获奖。2008年北京奥运会期间，3辆燃料电池大巴和20辆燃料电池轿车参加奥运 会全程服务。作为中国科技部、世界环境基金和联合国开发署的“中国燃料电池 公共汽车商业化示范项目”的一部分，奥运会后燃料电池大客车继续进行公交车 的示范。项目第二阶段将在上海展开，中国公司以很大的优势成功竞标示范项目 用燃料电池大客车。某国有企业以质子交换膜燃料电池关键材料和核心组件为基 点，致力于燃料电池和燃料电池电动汽车的产业化进程，目前其主要产品为单体 质子交换膜燃料电池(MEA)，2007年以来该公司已向美国本土出口 MEA高达12 X104件。我国汽车公司已经可以批量制造氢燃料电池客车商业化示范样车，在 20 辆级批量时单车成本不超过 350 万元人民币，百公里氢燃料消耗率不大于 8.5kg。与进口燃料电池大客车单车价格高达1500万元人民币相比，的确是价廉 物美。高精度、高可靠性的质量流量计是氢燃料电池车系统的重要部件。近年来，我 国的质量流量计已经成功进入美国市场，销售近千台，表明中国产品的质量完全 可以满足国际大公司的要求。我国已建成3座与氢燃料电池车配套的加氢站，北 京2座，上海1座。目前，上海还有1座在建。可以说，我国的氢燃料电池车在 国际上占有一席之地。氢内燃机汽车用以氢为燃料的H. I. C. E（ Hydrogen Internal Combust ion Engine）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. E 100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12 L、1 40 kW） 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- 0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。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（ Pro ton Exchange Membrane Fuel Cell）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Mark 5、Mark 700后，于2000年推出了性能及总体构造有很 大提高的Mark 900车用PEMFC。表1列出了 Mark 5、Mark 700、Mark 900的一些主要性能参数，从表1可 以看出最新的Mark 900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（Necar 1，2，3，4）。表1 Mark5、Mark 700、Mark 900 的主要性能参数项 目 燃料电池型号Mark 5Mark 700ark 900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/ e708070 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Mark 900 PEMFC的Necar 5轿车Ford公司除已在部分P 2000 配置了 Ballard 公司的 Mark 700,并计划将 Mark 900 配置在/ Fuel CellFocus0 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Necar 2、Necar 3、Necar 4部分性能参数。表2 Necar 2、Necar 3、Necar 4 部分性能参数项目Necar 2车型Necar 3Necar 4PEMFCMark 5Mark 5Mark 700功率/ kW505070乘员6 74 54 5最高车速/ kmh-1 110120145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。Necar 4轿车百公里氢耗折算成柴油，相当于3. 2 L/ 100 km,与欧洲A级柴油机5. 6 L/ 100 km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%, Necar 4 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，Necar 4的整车重量为1 580 kg,而 标准A级车的整车重量为1 120 kg,约重41%;其次，PEMFC汽车的价格也比 较贵，例如Mark 700 PEMFC的制造成本为$ 30 000（而I. C. E的制造成本约 为$ 3 000）,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。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结语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-253C，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 C 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hydrogeneconomyO）。参考文献1 曹静, 王宏雁. 氢能源汽车的发展现状及趋势 J . 汽车的研究与开发, 2005, 12: 1. 2 周立迎. 氢燃料在汽车行业中的应用及进展 J . 移动电源与车辆, 2006, 2: 36. 3 毛宗强. 氢能离我们还有多远 J . 电源技术, 2003增, 27: 180. 4 王宝辉, 吴红军, 刘淑芝, 等. 太阳能分解水制氢技术研究进展 J . 化工进展, 2006, ( 25) 7: 733. 5 李蔚. 氢能时代) 燃料电池的新能源革命 J . 电源技术, 2006, ( 30) 2: 254.6 陈兵, 纪红兵, 林维明. 氢) 二十一世纪的清洁能源 J . 化学工程师, 2000, 1: 31- 32.7 黄亚继, 张旭. 氢能开发和利用的研究 J . 能源与环境, 2003, 2: 3334.课程设计成绩评定表学习态度（15）技术水平与实际能力（25）说明书、图纸质量（60）总成绩评定：