氫能在新能源動力汽車上的應(yīng)用

學(xué)院：材料學(xué)院 班級：光電1202 姓名：李元莉?qū)W號：3120707026氫能在新能源動力汽車上的應(yīng)用氫能汽車是以氫為主要能量作為移動的汽車。一般的內(nèi)燃機，通常注入柴油或汽油，氫汽車則改為使用氣體氫。燃料電池和電動機會取代一般的引擎，即氫燃料電池的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻隔，通過外電路從負極傳導(dǎo)到正極，成為電能驅(qū)動電動機；質(zhì)子卻可以通過質(zhì)子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出。這樣有效減少了其他燃油的汽車造成的空氣污染問題，高速車輛、巴士、潛水艇和火箭已經(jīng)在不同形式使用氫。另一方面能源從來都是個問題，國際上以氫為燃料的“燃料電池發(fā)動機”技術(shù)已經(jīng)取得重大突破，而“燃料電池汽車”已成為推動“氫經(jīng)濟”的發(fā)動機。用氫氣作燃料有許多優(yōu)點，首先是干凈衛(wèi)生，氫氣燃燒后的產(chǎn)物是水，不會污染環(huán)境，其次是氫氣在燃燒時比汽油的發(fā)熱量高。在1965年，外國的科學(xué)家們就已設(shè)計出了能在馬路上行駛的氫能汽車。我國也在1980年成功地造出了第一輛氫能汽車，可乘坐12人，貯存氫材料90公斤。氫能汽車行車路遠，使用的壽命長，最大的優(yōu)點是不污染環(huán)境。氫能的優(yōu)點：氫是可以取代石油的燃料，其燃燒產(chǎn)物是水和少量氮氧化物，對空氣污染很少。氫氣可以從電解水、煤的氣化中大量制取，而且不需要對汽車發(fā)動機進行大的改裝，因此氫能汽車具有廣闊的應(yīng)用前景。推廣氫能汽車需要解決三個技術(shù)問題：大量制取廉價氫氣的方法，傳統(tǒng)的電解方法價格昂貴，且耗費其他資源，無法推廣；解決氫氣的安全儲運問題；解決汽車所需的高性能、廉價的氫供給系統(tǒng)。常見的供給系統(tǒng)有三種，氣管定時噴射式、低壓缸內(nèi)噴射式和高壓缸內(nèi)噴射式。隨著儲氫材料的研究進展，可以為氫能汽車開辟全新的途徑?？茖W(xué)家們研制的高效率氫燃料電池，更減小了氫氣損失和熱量散失。汽車中氫內(nèi)燃特點及優(yōu)點：氫內(nèi)燃車和氫燃料電池車不同。氫內(nèi)燃車是傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機車的帶小量改動的版本。氫內(nèi)燃直接燃燒氫，不使用其他燃料或產(chǎn)生水蒸氣排出。這些車的問題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數(shù)英里，很快便沒能量。另一方面，各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間，例如用液態(tài)氫或氫化物。1807年外國制造了首輛氫內(nèi)燃車?？上г撛O(shè)計甚不成功。寶馬的氫內(nèi)燃車有更多的力量，比氫燃料電池車更快。寶馬的氫汽車以三百公里每小時創(chuàng)下了氫汽車的最高速記錄。萬事達已在開發(fā)燒氫的轉(zhuǎn)子引擎。該轉(zhuǎn)子引擎反覆轉(zhuǎn)動，故氫從開口在引擎內(nèi)的不同部分燃燒，減少突然爆炸這個氫燃料活塞引擎的問題。日本武藏工業(yè)大學(xué)1990年在第八屆世界氫能會議上展出了一部使用液氫儲罐的燃氫轎車。它由NISSAN車改裝，使用一個容積100L，總重60kg的液氫罐，可以100km/h行駛，排放廢氣中無CO2。中國研制的燃用氫、汽油混合燃料的城市節(jié)能公共汽車正進行試驗。其他重要汽車生產(chǎn)商如通用汽車和DaimlerChrysler公司，投資在較慢較弱但較有效的氫燃料電池。氫燃料電池作用原理：氫燃料電池眾所周知，氫分子通過燃燒與氧分子結(jié)合產(chǎn)生熱能和水。氫燃料電池通過液態(tài)氫與空氣中的氧結(jié)合而發(fā)電，根據(jù)此原理而制成的氫燃料電池可以發(fā)電用來推動汽車，提供家庭或工業(yè)用電或作為手機電池。一原理說起來很簡單，但具體分析的話就會發(fā)現(xiàn)，其實提煉氫燃料的過程非常復(fù)雜，而且能耗也非常高。氫的儲存方式：傳統(tǒng)儲氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態(tài)氫，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱。一種新型簡便的儲氫方法應(yīng)運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。這些會“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金。其儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金都是固體，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存于其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。研究發(fā)展中的儲氫合金，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。研究證明，在一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。儲氫合金還有將儲氫過程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機械能或熱能的能量轉(zhuǎn)換功能。儲氫合金在吸氫時放熱，在放氫時吸熱，利用這種放熱一吸熱循環(huán)，可進行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設(shè)備。此外它還可以用于提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，采用儲氫合金，可以以很低的成本獲得純度高于99.9999%的超純氫。儲氫合金的飛速發(fā)展，給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。中國已研制成功了一種氫能汽車，它使用儲氫材料90千克，可行駛40千米，時速超過50千米。今后，不但汽車會采用燃料電池，飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池，作為其主要或輔助能源。另外由于大量使用的竦鎘電池（Ni-Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理復(fù)雜，環(huán)境受到污染。竦氫電池與竦鎘電池相比，具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優(yōu)點。發(fā)展用儲氫合金制造的竦氫電池（Ni-MH），也是未來儲氫材料應(yīng)用的另一個重要領(lǐng)域。氫燃料電池研究過程中遇到的難題：首先，氫的密度很低，就算燃料以液態(tài)形式儲存在低溫瓶或壓縮氣體瓶，在那些空間能夠儲存的能量十分有限，而氫汽車比起其他汽車就十分受限。有些研究已經(jīng)用特別結(jié)品體來儲存氫在較高密度的環(huán)境中，而且更安全。另外一種方法是不儲存氫分子，而使用氫重組器來從傳統(tǒng)燃料如甲烷，汽油和乙醇，提取氫。很多環(huán)保分子對此想法不感興趣，因為它依賴了化石燃料?？墒牵@是有效的重組程序。使用重組過的汽油或乙醇來推動燃料電池，仍比使用內(nèi)燃引擎來得有效。其次，制造在氫汽車提供電力可靠燃料電池，耗資頗高?？茖W(xué)家努力研究令燃料電池的成本盡量便宜，同時又有足夠硬度以抵受撞擊和震動這些汽車的基本問題。燃料電池的設(shè)計大都脆弱，故不能在那些情況下保存。加上很多設(shè)計都需要稀有物如鉑作為加速劑，令工作更順暢，而加速劑可能污染氫的純凈度，不利氫的提供。第三個問題是氫可作為能量的攜帶者而非能源。它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因為從其他能源到氫又回到能量的轉(zhuǎn)換并非百分百有效）。因為任何能源都有缺點，轉(zhuǎn)換到氫會引起關(guān)于如何產(chǎn)生這種能源的政治決定。氫燃料電池的代價高：（1）一般情況下，我們要獲得氫，都會從水里分解出來，這就需要用到電，需要將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，這過程將使得氫分子中的能連損失2%-3%；（2）接下來我們開始電解水，在此過程中能效只能達到70%，其余30%的能量被消耗掉；（3）經(jīng)過上述兩個過程，我們獲得了氫氣，但是由于是氣體，因此其體積非常大，這個就需要我們用10000磅/平方英寸的大氣壓強對氫氣進行壓縮處理，這個過程又將耗能15%，即便是經(jīng)過了這一系列處理，同等質(zhì)量的氫燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%左右，并且要貯存這些氫燃料需要很大的存儲設(shè)備。此外，為了保持氫燃料電池的穩(wěn)定，我們還要將溫度控制在零下253度，這一過程再次耗能30%-40%；（4）在運輸過程中，由于我們很難保持零下253度的恒溫，因此我們還將損失10%的能量；（5）而在氫燃料被注入汽車前，我們又損失了大約50%的能量；（6）最終我們還將損失10%的能量，因為氫能汽車的能效只有90%。氫燃料電池價格不能下降的原因：（1）燃料電池造價偏高：車用PEMFC之成本中質(zhì)子交換隔膜（USD300/m2）約占成本之35%;鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料；（2）反應(yīng)/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內(nèi)燃機引擎。反應(yīng)性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應(yīng)控制參數(shù)來達到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得；（3）碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經(jīng)過轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設(shè)備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額；（4）氫氣儲存技術(shù)：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5?3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253°C保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%；（5）氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。氫燃料電池的推廣：除了從節(jié)能和環(huán)保的角度來分析氫能汽車的未來，我們還應(yīng)該從經(jīng)濟層面來審視一下其發(fā)展現(xiàn)狀，如今我們很多的加油站都是以提供化石燃料為主，而沒有單獨提供氫能燃料的場所，如果我們要利用起的加油站，那么就必須修建大量的輸送管道，而且這樣做的前提是，氫能汽車的數(shù)量一定要達到一個合適的規(guī)模，數(shù)量過少的話，那修建輸送管道的成本就顯得有點高了。而如今，我們只能從一些新能源展會上才能看到氫燃料電池汽車的身影，大街上主要行駛的還是普通汽油驅(qū)動的汽車，即便是在巴西這樣的新能源汽車大國，其80%以上的汽車使用的也是乙醇，而非氫燃料電池。因此在可以預(yù)見的將來，我們還很難將氫燃料電池汽車推廣出去，至少在工藝上我們還不過關(guān)。國內(nèi)對氫燃料電池的研發(fā)：中國在氫能汽車研發(fā)領(lǐng)域取得重大突破，已成功開發(fā)出氫能燃料電池汽車性能樣車。國內(nèi)在燃料電池發(fā)動機方面已取得大功率氫一空燃料電池組制備的關(guān)鍵技術(shù)，轎車用凈輸出30kW、客車用凈輸出60kW和100kW的燃料電池發(fā)動機，已在同濟大學(xué)和清華大學(xué)燃料電池發(fā)動機測試基地分別通過了嚴(yán)格的測試并裝車運行，燃料電池轎車已經(jīng)累計運行4000多公里，燃料電池客車?yán)塾嬤\行超過8000公里。此前，以氫氣為能源的燃料電池汽車被列入國家“863”計劃，科技部投入1.2億元支持燃料電池汽車和相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。此外，國內(nèi)研發(fā)的燃料電池汽車在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均得到較大提高。國內(nèi)汽車企業(yè)還開發(fā)出100多種燃氣汽車，在19個城市開展了推廣應(yīng)用；國內(nèi)自主研發(fā)的純電動汽車、混合動力車，也已開始示范運行。加氫站的建立：國際油價持續(xù)走高，許多國家都在尋找替代能源。通用汽車與殼牌氫能源公司在美國首都華盛頓聯(lián)合推出了全美第一個加氫加油站，為普通汽車提供加油服務(wù)，并為燃料電池車加氫。加氫設(shè)施與普通加油站內(nèi)的設(shè)施沒有太大區(qū)別，加氫過程與一般汽油車加油類似。加氫站面積比一般加油站大，由氫氣分離廠和加氣臺兩部分組成。氫氣分離廠內(nèi)設(shè)有氫氣分離罐，工程人員向罐內(nèi)輸入水，在電力的作用下，水便分離成氫氣和氧氣。分離出的氧氣通過管道向空中釋放，同時將氫氣收集在密封壓力罐內(nèi)加壓、儲存，再通過高壓管道為氫汽車加氫。氫是易燃物，所以人們首先會想到加氫站和氫汽車的安全性。據(jù)專家介紹，加氫站內(nèi)的高壓罐和管道的壓力雖然高達5700大氣壓單位，但科研人員成功地解決了管道壓力問題，顧客加氫時絕對安全。氫汽車不以燃燒氫氣為動力，而是經(jīng)由汽車內(nèi)的燃料電池與氫氣反應(yīng)，產(chǎn)生電流作為動力。氫燃料電池的發(fā)展前景：便攜式電子設(shè)備廠家多年來受LIB的困擾，苦于沒有出路，汽車領(lǐng)域里燃料電池的曙光激發(fā)出開發(fā)小巧燃料電池，一發(fā)不可收拾。最先投入研究與開發(fā)的是歐美風(fēng)險企業(yè)，日本便攜式電子設(shè)備制造商跟隨其后，緊追不舍,這些廠家參與燃料電池開發(fā),**澎湃,各自大膽采用新材料，并且相繼獲得突破性進展，于2001年里分別發(fā)表小巧燃料電池試制品。日本便攜式電子機器廠家普遍認為，小巧燃料電池已經(jīng)達到可以取代LIB的水平。氫燃料電池技術(shù)上的發(fā)展：燃料電池研究與開發(fā)集中在四大技術(shù)方面：（1）電解質(zhì)膜；（2）電極；（3）燃料。燃料電池中僅次于電解質(zhì)膜的構(gòu)件材料便是電極材料，通過它可提取出由甲醇溶液經(jīng)過分解反應(yīng)生成的H+（質(zhì)子）和電子。在電極處的反應(yīng),Pt發(fā)揮催化作用。反應(yīng)速度是與Pt粒子的表面成正比，所以力求Pt的粒子直徑要小，爭取每單位重量有更大的表面積。實踐證明,Pt粒子的直徑一小下來，會出現(xiàn)多個Pt顆粒凝聚而降低催化能力的問題°NEC公司基礎(chǔ)研究所發(fā)現(xiàn)碳原子納米錐狀結(jié)構(gòu)（CarbonNano-horn）上可附著2nm直徑的Pt顆粒（Pt原子直徑為0.3?0.4nm）,并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用CarbonNano-horn材料作為電極試制出以甲醇為燃料的燃料電池。燃料電池汽車的