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氢能汽车
目录 ·【概述】
·【原理】
·【氢内燃】
·【储氢方法与材料】
·【氢燃料电池】
·〖氢燃料电池的研究历史〗
·〖“氢燃料电池代价太大”〗
·【环保问题】
·【产业前景】
·【中国氢能汽车】
·〖中国氢能汽车技术与研发〗
·〖中国氢能汽车发展与推广〗
·〖电动汽车:梦想与现实〗
·〖氢能经济:中国的后发优势〗
·【加氢站】


hydrogen-powered automobile

【概述】

  氢能汽车是以为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机,通常注入柴油汽油,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,近年来,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。

  氢是可以取代石油的燃料,其燃烧产物是和少量氮氧化合物,对空气污染很少。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。目前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。而最近,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。

【原理】

  众所周知,氢分子通过燃烧与氧分子结合产生热能和水。氢燃料电池通过液态氢与空气中的氧结合而发电,根据此原理而制成的氢燃料电池可以发电用来推动汽车,提供家庭或工业用电或作为手机电池。一原理说起来很简单,但具体分析的话就会发现,其实提炼氢燃料的过程非常复杂,而且能耗也非常高。   

【氢内燃】

  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。万事达已在开发烧氢的转子引擎。该转子引擎反覆转动,故氢从开口在引擎内的不同部分燃烧,减少突然爆炸这个氢燃料活塞引擎的问题。 日本武藏工业大学1990年在第八届世界氢能会议上展出了一部使用液氢储罐的燃氢轿车。它由nissan车改装,使用一个容积100l,总重60kg的液氢罐,可以100km/h行驶,排放废气中无co2。中国研制的燃用氢、汽油混合燃料的城市节能公共汽车正进行试验。 其他重要汽车生产商如通用汽车和daimlerchrysler公司,投资在较慢较弱但较有效的氢燃料电池。


【储氢方法与材料】

  传统储氢方法有两种,一种方法是利用高压钢瓶(氢气瓶)来储存氢气,但钢瓶储存氢气的容积小,而且还有爆炸的危险;另一种方法是储存液态氢,但液体储存箱非常庞大,需要极好的绝热装置来隔热。近年来,一种新型简便的储氢方法应运而生,即利用储氢合金(金属氢化物)来储存氢气。 研究证明,在一定的温度和压力条件下,一些金属能够大量“吸收”氢气,反应生成金属氢化物,同时放出热量。其后,将这些金属氢化物加热,它们又会分解,将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属,称为储氢合金。其储氢能力很强。单位体积储氢的密度,是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。储氢合金都是固体,需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来,因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金,主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。

  储氢合金还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热,在放氢时吸热,利用这种放热-吸热循环,可进行热的储存和传输,制造制冷或采暖设备。此外它还可以用于提纯和回收氢气,它可将氢气提纯到很高的纯度。例如,采用储氢合金,可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。 储氢合金的飞速发展,给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。目前中国已研制成功了一种氢能汽车,它使用储氢材料90千克,可行驶40千米,时速超过50千米。今后,不但汽车会采用燃料电池,飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池,作为其主要或辅助能源。另外由于大量使用的镍镉电池(ni-cd)中的镉有毒,使废电池处理复杂,环境受到污染。镍氢电池与镍镉电池相比,具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。发展用储氢合金制造的镍氢电池(ni-mh),也是未来储氢材料应用的另一个重要领域。

【氢燃料电池】

现在可以使用的主要有这样几种:
熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)
1980年研制成功,在650摄氏度下工作,把熔融碳酸盐作为电解质,把送到正极的二氧化碳作为离子载体。不需要催化剂,而且可以使用天然气等其他气体燃料。但是启动时间较长。
固体氧化物燃料电池(sofc)
1980年研制成功,电解质为含有氧化锆等成分的固体陶瓷材料。工作在800~1000摄氏度的高温,离子可以通过陶瓷材料。不需要铂等催化剂。也可以使用其他气体燃料,启动时间也较长。
磷酸燃料电池(pafc)
1967年研制成功,工作温度接近200度,需要催化剂,电解质为磷酸水溶液,在饭店和医院使用较多。
固体高分子燃料电池(pefc)
目前投入研究力量最大的电池,电解质为高分子树脂薄膜,可以实现小型化。工作温度在100度以下,但是需要催化剂。也可以使用甲醇。启动时间也最短。


〖氢燃料电池的研究历史〗

    1960年代后期,roger e. billings制造了燃料电池的原型。在燃料电池氢汽车的发展主要有三个障碍
    首先,氢的密度很低,就算燃料以液态形式储存在低温瓶或压缩气体瓶,在那些空间能够储存的能量十分有限,而氢汽车比起其他汽车就十分受限。有些研究已经用特别结晶体来储存氢在较高密度的环境中,而且更安全。
    另外一种方法是不储存氢分子,而使用氢重组器来从传统燃料如甲烷、汽油和乙醇,提取氢。很多环保分子对此想法不感兴趣,因为它依赖了化石燃料。可是,这是有效的重组程序。使用重组过的汽油或乙醇来推动燃料电池,仍比使用内燃引擎来得有效。
    其次,制造在氢汽车提供电力可靠燃料电池,耗资颇高。科学家努力研究令燃料电池的成本尽量便宜,同时又有足够硬度以抵受撞击和震动这些汽车的基本问题。燃料电池的设计大都脆弱,故不能在那些情况下保存。加上很多设计都需要稀有物如铂作为加速剂,令工作更顺畅,而加速剂可能污染氢的纯净度,不利氢的提供。
    第三个问题是氢可作为能量的携带者而非能源。它必须从化石燃料或其他能源提取,因此引起能量的流失(因为从其他能源到氢又回到能量的转换并非百分百有效)。因为任何能源都有缺点,转换到氢会引起关于如何产生这种能源的政治决定。
最近有方法成功直接从太阳和水,透过金属的催化剂,产生了氢。这或能使从太阳能转成氢有一个便宜、直接、清洁的途径。


〖“氢燃料电池代价太大”〗

  1.  一般情况下,我们要获得氢,都会从水里分解出来,这就需要用到电,需要将交流电转化成直流电,这过程将使得氢分子中的能连损失2%-3%   

  2.  接下来我们开始电解水,在此过程中能效只能达到70%,其余30%的能量被消耗掉。   

  3.  经过上述两个过程,我们获得了氢气,但是由于是气体,因此其体积非常大,这个就需要我们用10000磅/平方英寸的大气压强对氢气进行压缩处理,这个过程又将耗能15%,即便是经过了这一系列处理,同等质量的氢燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有,并且要贮存这些氢燃料需要很大的存储设备。此外,为了保持氢燃料电池的稳定,我们还要将温度控制在零下253度,这一过程再次耗能30%-40%。   

  4.  在运输过程中,由于我们很难保持零下253度的恒温,因此我们还将损失10%的能量。   

  5.  而在氢燃料被注入汽车前,我们又损失了大约50%的能量。   

  6.  最终我们还将损失10%的能量,因为氢能汽车的能效只有90%。   

  综合上述所有的过程,我们要驱动一辆氢能汽车的能耗高达80%,从节能降耗的角度来看,氢能汽车不达标。   

【环保问题】
  一般人认为,以氢燃料为动力的汽车只会产生水,事实也的确是这样,那为什么说氢燃料汽车并不环保呢?环球能源网认为,我们必须从其生产原料上来分析,由于技术水平并不先进,以及考虑到成本等的问题,世界上很多国家的氢燃料的生产并不是以水为原料,而是以天然气作为生产原料,先前讲到了,如果要电解水取得氢气,那需要很大的能量消耗,而且要生产出能量值与普通汽油燃料相当的氢燃料,我们就需要大量的水资源,水同样也是我们这个星球稀缺的资源,因为我们这里讲到的水是淡水,而不是海水。而天然气的贮存方式相对成熟得多,而且我们可以用并不算多的天然气生产出能量值与普通汽油燃料相当氢燃料。因此,作为氢燃料生产商来说,为了降低生产成本,他们宁愿选择天然气。问题就出在这里,天然气也属于化石能源的范畴,那么使用它就必定会产生大量的二氧化碳,从这个层面上来讲,我们的氢能汽车并不环保。   

  除了从节能和环保的角度来分析氢能汽车的未来,我们还应该从经济层面来审视一下其发展现状,如今我们很多的加油站都是以提供化石燃料为主,而没有单独提供氢能燃料的场所,如果我们要利用起的加油站,那么就必须修建大量的输送管道,而且这样做的前提是,氢能汽车的数量一定要达到一个合适的规模,数量过少的话,那修建输送管道的成本就显得有点高了。而如今,我们只能从一些新能源展会上才能看到氢燃料电池汽车的身影,大街上主要行驶的还是普通汽油驱动的汽车,即便是在巴西这样的新能源汽车大国,其80%以上的汽车使用的也是乙醇,而非氢燃料电池。因此在可以预见的将来,我们还很难将氢燃料电池汽车推广出去,至少在工艺上我们还不过关。

【产业前景】

“氢能汽车上路还需15年”

  国际油价持续飙升,让人叫苦不迭。美国政府提出以氢燃料电池车为主要措施解决美国交通能源问题,这似乎带来了美好希望。不过,麻省理工学院的一些能源专家日前则提醒公众,氢燃料电池车真正要“跑起来”,至少还需要15年的时间。

  对于氢燃料电池车上路的时间表,麻省理工学院(mit)能源委员会近日出台报告说,与目前的车辆相比,性能与价格具有竞争力的氢燃料电池车真能“上路”、“跑起来”,至少还需要15年;而要让氢燃料电池车被大规模采用,达到明显降低现有车辆对石油依赖程度的目的,可能还需要50年的时间。

  mit能源委员会的约翰·海伍特教授指出,作为一项颇具潜力的、能替代石油燃料的技术措施,氢燃料电池车目前的“路障”涉及到氢燃料的生产、储存和输送基础设施,以及燃料电池的成本等问题。他强调,发展所谓的以氢为燃料的“氢交通经济”确实是一个巨大的挑战。即便价格与性能被公众接受,氢燃料电池车还需要几十年的时间才能被大规模采用。

  海伍特解释说,氢燃料电池车的推广要受许多因素的制约。首先,新技术车辆大规模应用是早还是晚,主要受到现有车辆平均寿命的限制。目前车辆平均寿命是15年。无论是先进的内燃发动机车、混合车,还是氢燃料电池车,即使有人买了这些具有新技术的车辆,目前大多数车主需要15年才能换车,这些年内,旧车还会在路上跑,还会在继续烧汽油,继续排放二氧化碳等温室气体。

  第二,配有新技术的车辆在厂家生产车间,从第一台到批量生产一般需要几年的时间,到大规模推广又得几年之后。拿油电混合车来说,混合车有全新的技术,但市场份额却增长缓慢。混合车在美国1999年上市,到目前为止市场份额却只有1%。

  第三,从推广氢燃料电池车对解决交通石油燃料危机的影响角度说,欧洲过去25年推广柴油发动机的经验表明,短期内节省燃料有效措施并不一定来自全新的技术,而在于如何在现有车辆技术基础上更好地进行改进,更经济地使用燃料。

  mit能源专家在报告中预计,即使研制出具有价格和性能竞争力的氢燃料电池车,还将需要25年左右的时间,才能使其占新车和轻型卡车销售的份额达到35%,而要使氢燃料电池车替代现有35%的车辆的话,还会再需要20年左右的时间。

  在讨论氢燃料电池车时间表的同时,专家们也给政府交通能源政策出了不少主意。他们认为,与氢燃料电池车的情况相比,目前改进内燃发动机性能、减轻车辆重量等措施,倒是有可能对减少车辆过度耗油产生“立竿见影”的效果。先进的内燃发动机、清洁的柴油发动机以及油电混合车在未来30年内将对节省交通石油燃料产生很大的影响。

  mit的专家们还认为,应该大力提倡一些新技术措施,包括发展油耗低的经济型车辆,从严修订车辆燃料经济性标准,提高汽油消费税等,当然,这些需要政府牵头鼓励汽车厂家实施以及公众积极配合,才能实现减少车辆过度耗油的目的。

  不过,他们也承认,有效降低美国的巨大交通石油燃料消费量,确实是一大挑战。他们的好想法并不一定会被美国民众广泛接受和采纳。因为长期以来,美国汽车文化中并没有太多地考虑节约石油,而是一味地追求车辆的舒适性。同时,对于那些能很快舒缓车辆过度耗油问题、潜力巨大的技术措施,美国政府也并没有像热衷“氢经济”计划项目那样,予以大力支持和足够的投资。



【中国氢能汽车】

〖中国氢能汽车技术与研发〗

       我国在氢能汽车研发领域取得重大突破,已成功开发出氢能燃料电池汽车性能样车。

目前,国内在燃料电池发动机方面已取得大功率氢—空燃料电池组制备的关键技术,轿车用净输出30kw、客车用净输出60kw和100kw的燃料电池发动机,已在同济大学和清华大学燃料电池发动机测试基地分别通过了严格的测试并装车运行,燃料电池轿车已经累计运行4000多公里,燃料电池客车累计运行超过8000公里。

此前,以氢气为能源的燃料电池汽车被列入国家“863”计划,科技部投入1.2亿元支持燃料电池汽车和相关技术的研发。

此外,国内研发的燃料电池汽车在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均得到较大提高。国内汽车企业还开发出100多种燃气汽车,在19个城市开展了推广应用;国内自主研发的纯电动汽车、混合动力汽车,也已开始示范运行


〖中国氢能汽车发展与推广〗

       能源短缺、环境污染、全球气候变化……令开发清洁、高效、安全和可持续的能源迫在眉睫,其中,氢能正在受到越来越多国家的重视.

      5月底的一天,北京凯宾斯基饭店门前的小展厅,停放着一辆银色家用轿车,车的左侧被摘掉,甲板是透明的,参观者望去,车内与一般4座家用轿车无异。

  透过甲板,可以看到两个比煤气罐略窄的罐子,据介绍,这两个罐子是用来装氢燃料的。罐子前方贴着一个像小案板一样的片状物,这是一个将氢转换为电的设备。

  这是戴姆勒-克莱斯勒公司生产的燃料电动汽车,它最大的优点是,排放物仅仅是水,没有任何污染。未来人们驾驶的汽车,可能大多数都是这样的。

  这样的汽车中国企业现在也能生产,在凯宾斯基饭店内的展厅里,上海燃料电池汽车动力系统公司生产的基于桑塔纳2000车型的“超越1号”样车,同样引起许多人的注意。

〖电动汽车:梦想与现实〗

  汽车的尾气污染是个让所有人头疼的难题,生产没有污染的电动汽车,就成了政府、科学家和企业家的共同梦想。

  据业内人士介绍,电动汽车主要沿着3个方向开展:

  一个是纯电动汽车,从上世纪70年代开始研究发展,但电池寿命影响运行范围的致命弱点,使这一研究方向渐被冷落;另一个是混合动力汽车,是一种安装两套系统(电池-电机/内燃机)的设计,但被认为不是长远之计;然后就是目前被普遍认可的由氢作燃料的电动汽车。

  一位bp公司研究氢能的专家给记者讲述了氢能利用的故事。早在1840年,一位叫威廉姆斯的英国作家,在他的小说《神秘的小岛》中,就首先提出氢燃料电池的幻想。到上世纪20年代,人们开始试验用氢驱动内燃机。70年代,美国阿波罗号太空飞船使用氢电池为宇航员提供电和水。80年代以后,氢用于交通工具的研究发展迅速,渐渐可与传统的内燃机媲美。

  由氢作燃料电动汽车与传统汽车相比,无尾气排放,无污染,能效更高,发达国家政府和跨国公司目前都纷纷投入巨资研发这种新时代的交通工具。

  bp公司负责新能源的全球副总裁莫约翰介绍说,由美国普林斯顿大学和bp公司合作的一项计划雄心勃勃地提出,今后要将10亿辆传统汽车替换成氢燃料汽车。估计燃料电池及相关产品的全球市场潜力,在2011年将达到332亿美元,2021年有可能突破 1.9万亿美元。

  在这方面,中国也不甘落后,据中国燃料电池公共汽车项目办公室国家项目协调员伦景光透露,本世纪前5年,科技部用于氢燃汽车开发研究的资金已超过4亿元人民币,今后的投入还将进一步加大,并给予发展氢燃汽车相关扶植政策。

  近日,中国政府还与全球环境基金、联合国开发计划署签署了“中国燃料电池公共汽车示范项目”车辆采购合同。示范项目的资金总额为3236万美元,其中45%由中国政府投资。

  根据这项合同,戴姆勒-克莱斯勒公司将于明年向北京市提供3辆氢燃料电池公共汽车citaro,这种汽车与已在欧洲10个城市投入商业运营的30辆燃料汽车一模一样。

  明年9月,北京市民将有望坐上这种零排放的燃料电池公共汽车。按计划,2008年北京奥运会期间,约10辆燃料电池车将穿梭在比赛场馆和运动员村之间。类似的车队还将为2010年上海世界博览会服务。

〖氢能经济:中国的后发优势〗


  氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,开发氢能已引起各国的高度重视。

  2003年11月,澳大利亚、巴西、加拿大、中国、法国、德国、冰岛、印度、意大利、日本、挪威、韩国、俄罗斯、英国、美国15个国家和欧盟代表在美国华盛顿共同签署非约束性的“氢能经济国际合作伙伴计划”参考条款。“氢能经济国际合作伙伴计划”下设指导委员会和执行及联络委员会。

  5月底,“氢能经济国际合作伙伴计划”下设的指导委员会在北京召开了第二次会议。与会议同时召开的还有第二届国际氢能论坛。从这两个会议上透露出的信息表明,近年来,美国、日本、欧盟都制定了氢能发展规划,投入大量经费支持氢能开发和应用示范活动。美国政府宣布今后5年拨款17亿美元支持氢能开发;欧盟也拨专款研究氢能转换技术和燃料电池,欧洲10个城市已从2003年开始示范运行商业化的燃料电池公共汽车。

  中国科技部秘书长石定环也透露,中国政府正在研究到2020年的能源战略,氢能利用被列为重点发展的方向之一。科技部安排了一批氢能转换技术研发与应用示范项目,科研人员已在一些关键技术上取得显著进展,自主研制的燃料电池轿车、客车已实验运行2000多公里。

  莫约翰则对《财经时报》分析说,传统汽车经过多年发展,已有了非常完善的基础设施(加油站设置、油品生产等),而要培养新的基础设施,需要巨额投资,这对企业充满风险。但对发展中的中国来讲,相对来说,更有机会采用这种新技术、新能源 。

【加氢站】
  国际油价持续走高,许多国家都在寻找替代能源。近日,通用汽车与壳牌氢能源公司在美国首都华盛顿联合推出了全美第一个加氢加油站,为普通汽车提供加油服务,并为燃料电池车加氢。
  加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别,加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大,由氢气分离厂和加气台两部分组成。氢气分离厂内设有氢气分离罐,工程人员向罐内输入水,在电力的作用下,水便分离成氢气和氧气。分离出的氧气通过管道向空中释放,同时将氢气收集在密封压力罐内加压、储存,再通过高压管道为氢汽车加氢。
  氢是易燃物,所以人们首先会想到加氢站和氢汽车的安全性。据专家介绍,加氢站内的高压罐和管道的压力虽然高达5700大气压单位,但科研人员成功地解决了管道压力问题,顾客加氢时绝对安全。氢汽车不以燃烧氢气为动力,而是经由汽车内的燃料电池与氢气反应,产生电流作为动力。
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