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  • 氢燃料汽车

    氢燃料汽车: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。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 氢燃料汽车 英文名: Hydrogen cars
    引擎: 燃料电池和电动机 主要能量:
    首批: 2008年

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    研发历程/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车氢燃料汽车

    1807年IsaacdeRivas制造了首辆氢内燃车,可惜该设计甚不成功。

    1960年代后期,RogerE.Billings制造了燃料电池的原型。

    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。

    1980年,中国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。

    1990年日本武藏工业大学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。

    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。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。

    数据显示,德国计划到2023年建成400个氢燃料站;美国加州到2017年达到68个;日本计划到2025年构建1000家氢燃料站;韩国计划到2025年增加到200个。[1]

    技术问题/氢燃料汽车 编辑

    首先是制氢,制造氢气最好方法是电解水。这一过程当中,需要耗电。而且,电解水系统的能效转化效率只有80%,称不上高效。其次,建造一个加氢站成本约需2600万元,是一座加油站的4倍,因为需要处理液态氢的储存问题。再者,即便有补贴,氢燃料电池车售价并不低,与纯电动车相当,甚至略贵一些。最后,氢气有爆炸性,有一定危险性,电则安全许多,每个房子都有电。[1]

    氢是可以取代石油的燃料,其燃烧产物是水和少量氮氧化合物,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。

    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。

    动力原理/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料电池车的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。

    由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。

    与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源。

    储氢方法/氢燃料汽车 编辑

    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、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。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。

    电池种类/氢燃料汽车 编辑

    现在可以使用的主要有这样几种:

    1、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

    氢燃料汽车氢燃料汽车

    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。

    2、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。

    3、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。

    4、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。

    发展障碍/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车氢燃料汽车

    1960年代后期,RogerE.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。

    燃料代价/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车氢燃料汽车

    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%。

    点火方式/氢燃料汽车 编辑

    低压喷射火花点火
    低压喷射氢发动机适合采用火花点火方式。若通过增加充量并控制早燃,则可得到较大的输出功率。当过量空气系数a< 1.2时易发生早燃,此时,仅可获得相当于或小于汽油机额定功率的输出功率。若喷射氢的温度低至0-50℃,则可防止早燃,最大输出功率将进一步上升。
    高压喷射炽热表面点火
    根据炽热表而点火试验可知,炽热表而温度高于900℃时,混合气才能可靠地着火。同时还存在实际使用寿命太短、加热点火塞需大容量电池以及喷氢阀产生氢的泄漏时和启动时易发生早燃和回火等问题。
    高压喷射火花点火
    为了解决高压喷射炽热表面点火存在的问题,可采用火花点火方式。因为氢空气混合气只需较小点火能量便能着火,而且混合气着火界限也较宽广,故相对汽油空气混合气而言,氢空气混合气更适合采用火花点火方式。
    试验表明,若喷氢嘴的喷孔与火花塞电极间隙之间的距离缩短,则氢喷束顶端更易到达电极间隙内,从而使着火落后期缩短,燃气压力的升高更趋平稳。因此,氢喷射发动机采用火花点火方式,必须精确布置点火位置和控制点火正时。

    应用前景/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车氢燃料汽车

    第一,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,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。

    氢能汽车/氢燃料汽车 编辑

    中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

    发展推广/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车福特汽车将诞生首款商用氢燃料汽车

    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。

    发展优势/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料电池最大优点便是方便。普通纯电动车使用快充充满一次电,至少需要20分钟。氢燃料电池车加满一次氢气,只需要3到5分钟,与加注汽油相当。氢燃料电池车行驶里程足够长,以丰田Mirai为例,百公里加速10秒,能行驶650公里以上。[1]

    第一,续航力足与燃油车相媲美,丰田Mirai一次加满燃料可行驶500公里,可以满足日常需求。而纯电动车中,除了特斯拉之外,目前的现有车型几乎都是只能行驶百公里左右。

    第二,充电速度快。特斯拉即使用超级充电站充电也需要一两个小时,“丰田Mirai一次加满燃料只需3分钟”,Hirose说道。这个速度已经接近燃油车加油时间。

    第三,燃料费用便宜。工业用氢气目前每公斤的成本为1-3欧元(约合人民币7-21元),而一公斤氢气可以使汽车行驶一百公里以上。[2]

    加氢站/氢燃料汽车 编辑

    氢燃料汽车雪佛兰Volt电力驱动概念车

    国际油价持续走高,许多国家都在寻找替代能源。通用汽车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。

    环保问题/氢燃料汽车 编辑

    第一,氢燃料电池汽车是终极环保汽车。氢燃料电池汽车零排放,且一次加氢续驶里程长,加氢时间短,相当于汽油车,一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。但是,由于氢燃料电池系统、储氢装置等技术和成本、寿命问题,以及加氢站建设和成本问题在短时期难以攻克,相比动力电池技术已取得积极进展,并初步具备市场推广条件的电动汽车而言,氢燃料电池汽车仍被作为终极环保汽车,也就是说,插电式汽车、纯电动汽车在市场化进程上仍优先于氢燃料电池汽车。按国际能源署IEA预测,2030年以前,全球新能源汽车市场仍将以插电式汽车、纯电动汽车为主,2030年氢燃料电池汽车在世界汽车销量中的比重约为2%—3%。2030—2050年,插电式汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车发展顺序和市场大格局保持不变,但氢燃料电池汽车占比将提高到15%左右。

    第二,氢燃料电池汽车推广仍面临重大障碍。丰田氢燃料电池汽车能够量产得益于其在氢燃料电池技术和成本、寿命的突破。基本解决氢燃料电池体积输出密度、低温性、高压氢燃料罐小型/轻量化和安全性问题,氢燃料电池寿命可达10年以上,车辆成本相比5年前大幅度下降,Mirai在日本销售享受补贴后相当高档汽油车价格(约人民币28万元)。但是,包括丰田在内的日本人士对氢燃料电池普及仍持谨慎态度,因为,Mirai享受补贴后,价格仍高出同级别汽油车一倍多,而且,氢燃料电池汽车同样面临基础设施问题,直到目前,建设一座加氢站的成本高达5亿日元(约3000万人民币),如此高的成本没有相当数量的保有量,加氢站根本无法盈利,也难以维系。还有就是氢源问题,氢同电一样是二次能源,至今仍主要来源化石燃料(天然气、石油),如果不能广泛利用低成本光伏、生物等电解的氢,氢燃料电池汽车作为终极环保汽车将遭质疑。

    第三,世界主要车企备战氢燃料电池汽车。尽管氢燃料电池汽车远未达到市场普及阶段,但正如大家所知,除丰田公司外,通用、本田、现代公司相继发布量产燃料电池汽车,戴母勒、宝马、日产等均有2020年前推出氢燃料电池商品车计划。当然,也有一部分公司基于对成本、基础设施,以及市场接受程度的判断,把量产车时间表设定在2025年左右,如大众公司等,但是,作为技术或产业化储备,和其他公司一样都有大规模的投入。同时,为分享氢燃料电池技术、降低成本、促进氢燃料电池产业化进程,主要汽车制造商间积极开展合作,目前已形成丰田和宝马、戴母勒/福特和雷诺—日产、本田和通用公司三大联盟。但在2030年前还难以改变插电式汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的顺次格局。

    第四,氢燃料电池汽车中国还没有准备好。国内氢燃料电池汽车研究开发已有15年左右历史。在国家《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》中明确:氢燃料电池汽车与国际同步发展。但是,近年来,国内氢燃料电池汽车发展水平与先进国家比差距加大,主要体现在:氢燃料电池总体上处于工程化开发阶段,功率特性、冷启动、可靠性等主要技术性能指标与世界标杆产品比还有很大差距,关键技术领域所拥有的专利数目不多,技术标准未形成体系,成本居高不下,产品基本不具备商业化条件。差距加大的主要原因是相比电动汽车,氢燃料电池汽车技术门槛高,需要巨额投入,而我们技术和产业基础薄弱,资金和技术力量投入严重不足,技术链不完善,产业化能力较弱,除上汽外,大多数整车企业在氢燃料电池汽车方面没有开展实质性研发和产业化准备。催化剂、双极板等关键材料领域和高压储氢罐、空压机、氢循环泵等关键零部件基本不具备产业化能力,产业链尚未形成。

    第五,氢燃料电池汽车中国还有机会。首先,国家层面应进一步明确规划目标,如在2020年以前,氢燃料电池汽车要具备商品化能力,并加大示范运行和推广运用。以此目标为指引,在坚持新能源汽车以纯电驱动为主要技术路线的同时,要加大在氢燃料电池汽车发展方面的支持力度,鼓励有条件的企业积极参与,为产业化创造条件,推动建立和完善氢燃料电池汽车及相关技术标准体系,积极参与相关国际标准制定。其次,有能力的整车企业应把氢燃料电池汽车发展纳入规划,并切实加大投入,车企间应加强在车辆技术、关键零部件供应商培育等方面合作,加快工程化开发和产业化能力建设进程。同时,应加强国际合作和交流,力争以多种形式借助国际科研资源、产业资源尽快缩小差距,提高氢燃料电池汽车发展水平。再有,国内相关科研资源要向氢燃料电池汽车关键技术领域倾斜,强化基础研究,并会同整车、关键零部件企业加强工程化研究,集中攻克功率特性、寿命、冷启动、续驶里程、成本等难题。[3]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2018-08-23
    [2]^引用日期:2018-08-23
    [3]^引用日期:2018-08-23

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