氢燃料汽车技术

LOGO氢燃料汽车技术孔庆军2012.6.14Contents氢能源的发展背景一二氢燃料储运技术三氢燃料技术在汽车上的应用四氢能源未来展望五氢燃料制取技术一.氢能源的发展背景1.1目前能源结构与现状1.2传统能源带来的问题1.3发展氢能源的原因1.4氢能源发展史世界一次能源的资源量（以2009年的开采速度）石油：45.7年天然气：62.8年煤炭：119年1.1、目前的能源结构与现状10%24%40%26%世界石油天然气煤其他从图表中可以看出：世界能源主要依赖不可再生的化石资源中国一次能源需求中国2005年的一次能源需求总量（其它指交通运输、农业、服务业及未指明的行业）我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力资源问题国际原油价格（美元/桶）145.29020406080100120140160石油价格长期上升趋势明显，油价日益高昂已成为经济不能承受之重。1.2传统能源带来的问题数据来源：EIA环境问题图2：世界主要国家CO2排放比例中国,13.0%美国,24.6%俄罗斯,6.4%日本,5.1%印度,4.1%德国,3.9%英国,2.5%加拿大,2.2%意大利,1.9%法国,1.7%韩国,1.7%乌克兰,1.6%其他,31.3%145146185188268125130161140155050100150200250300日本欧洲中国韩国美国2009年实际排放量法定目标汽车平均CO2排放量（克/千米）20152015201520152016时间能源大量消耗带来温室气体排放问题，是造成气候变化主要原因。图3：各国汽车减排目标数据来源：招商证券各国纷纷制订标准，降低汽车排放中二氧化碳对环境的影响。1.2传统能源带来的问题城市环境问题加剧如果到时候还没有找到真正能够取代石油的新能源，必将出现大面积的经济恐慌，许多国家正为此不断付出政治和资金上的代价。例如美国对利比亚、伊拉克的战争实际上是为了它们的石油。政治与安全问题萨达姆卡扎菲1.2传统能源带来的问题•我国2007年进口原油1.63亿吨，同比增长12.4%，以此计算，我国石油对外依存度已接近50%。据预测，至2020年，我国机动车要消耗2.56亿吨石油，占全国石油消费总量的86%左右，石油供应的依存度可能上升至80%左右。从汽车行业自身层面讲，解决石油短缺限制发展的问题，现实的选择是从节约和替代两个方面入手，即大力发展节能汽车和清洁替代燃料（新型能源）汽车。•目前，我国的生态环境形势不容乐观，某些地区已相当严峻，危及到人们的正常生活及生存，如不加以改变，则与我国建设小康社会的目标背道而驰。实现可持续发展的问题1.2传统能源带来的问题煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开采而枯竭。当前在设法降低现有常规能源（如煤、石油等）造成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势所趋。1.3发展氢能源的原因1.3.1常规能源带来的压力1）氢是宇宙中最丰富的元素，在地球上的含量排第三。2)除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以化合物形态存在，主要存在水中。3)若把全球水中的氢都提炼出来，约有15亿亿吨，所产生的热量是地球上化石燃料的9000倍。4)氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题。1.3.2氢资源十分丰富1.3.3氢气是最清洁的燃料1)氢是“和平”能源——中东战争。2)氢是安全能源——氢的扩散能力很大，不具放射性。3)氢可由多种一次能量制出故没有资源的限制。4)与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环。5)与电力储藏困难相反，储运方式多－气体、液体、固体或化合物。6)氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电。7)氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。8)氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。名称氢气甲烷汽油乙醇甲醇燃烧值/kJ·kg-1121,06150,05444,46727,00620,254表3-1几种物质的燃烧值氢的燃烧热值高高于所有化石燃料和生物质燃料1.3.4良好的燃烧特性氢的燃烧稳定性好燃烧充分孕育期1766年，英国的卡文迪许从酸和金属的作用所得气体中发现氢，即以希腊语“水的形成者”命名。在Vada制成第一个电池之后不久的1818年，英国利用电流分解水有目的的产生了氢气。1820年剑桥大学的WilliamCecil建议将氢气用于动力机器1839年WilliamGrove首次提出燃料电池1874年儒勒凡尔纳(JulesVerne)的科幻小说《神秘岛》中描写有个使用水作为燃料的小岛。这种无限的和普遍存在的能源的想法激发随后数十年的读者的思考。1.4氢能源发展史氢能源发展史－童年期19世纪氢能动力汽车的创始人之一Lawaczek（德国）就说自己受到凡尔纳的科幻小说的启发。凡尔纳的预测至今还印在国际氢能学会宣传材料的头版头条。氢燃料的现代研究始于二十世纪20年代的德国和英国。1923年剑桥大学的Haldane提出用风力发电作为电解水的能源。此设想在半个世纪后才得以实现。1928年德国的氢技术先驱RudolphJrren获得了他的第一个氢气发动机专利。氢能源发展史－成长期氢作为“能量载体”或者”能量媒介”的想法产生于二十世纪50年代核能的发展。西班牙的著名氢能量载体提倡者－Marchetti提出原子核反应器的能量输出即可以以电能的形式传递，也可以以氢燃料的形式传递。Marchetti指出氢气形式的能量可以比电能更稳定地储存，并且氢气的输送成本（传递单位热能）将比电力更低，此事实后被工程数据所证实。氢能发展史－发展期1970年，通用汽车公司的技术中心提出“氢经济”的概念，主要的思路是利用大型核电站的电力电解水制氢。1974年，受石油危机的影响和启迪，一些学者组建了国际氢能协会(InternationalAssociationforHydrogenEnergy,IAHE)。IAHE随后创办了《国际氢能杂志》并举行了两年一次的世界氢能大会。氢能发展史－步入工程探索阶段二十世纪80年代，德国认真地提出HYSOLAR计划，它是德国/沙特在阿拉伯半岛的项目，计划用沙漠地带的太阳能制氢。改项目已经过实验示范了太阳发电和电解的直接结合，示范功率达到350kW。德国还考虑利用加拿大廉价的水电就地电解水制氢，液化后用船运输液氢到欧洲。氢能发展史－为科学家认可近年来燃料电池技术—低温的质子交换膜燃料电池和高温的固体氧化物燃料电池—发展迅速，被广泛认为将成为未来人类社会中主要的动力来源，尤其是用于发电和交通工具方面而燃料电池最适宜的燃料就是氢。因此，科学家们预测，氢能将与电能一起成为未来能源体系的两大支柱。氢能发展史－获得社会广泛共识2000年，IAHE组织新的系列会议－国际氢能论坛(Hyforum，新词，为Hy-和Forum的组合，近年来，又出现氢时代，Hytime)。第一届国际氢能论坛于2000年在德国慕尼黑举行，第二届氢能论坛于2004年在我国北京举行。“Hyforum”邀请政治家、科学家、企业家、投资者和工程师等共居一堂，商讨如何为人类提供赖以生存的、可持续发展的清洁能源－氢。二.氢燃料制取技术氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少。因此必须将含氢物质分解后方能得到氢气。最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。因此要开发利用氢能这种理想的清洁能源，必须首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。1.化石燃料制氢—目前主要的制氢方法成熟、廉价，但资源和环境问题并未解决2.生物质为原料制氢光合效率、水土面积、集中和储运成本等问题3.水分解制氢利用光化学、热化学和电化学方法制氢。然而，太阳能的收集、高品质热能和电能的产生方法，都是首先要解决的问题。氢燃料的制取技术合成氨：50％石油精练：37％甲醇合成：8％全球年产氢：5000亿Nm3化石燃料制氢占96%(1)甲烷重整(SteamMethaneReformation,SMR)1、化石燃料制氢•SMR反应利用有机物高温下与水的反应，不仅自身脱氢，同时将水中的氢解放出来。•此法也适于生物质制氢。(2)天然气热解制氢•将天然气火焰在裂解炉加热到1400℃，•关闭裂解炉使天然气发生裂解反应，产生氢气和碳黑。裂解炉CH4H2碳黑甲烷的部分氧化：CH4+O2→CO(g)+H2(g)氢燃料的制取技术(3)煤汽化：C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)(4)重油部分氧化CnHm+O2→CO（g）+H2（g）CnHm+H2O→CO（g）+H2（g）H2O+CO→CO2（g）+H2（g）2、电解水制氢正极：2OH－H2O+½O2+2eφ=0.401V负极：2H2O+2e2OH－+H2φ=－0.828V(1)碱性水溶液电解2OH-H2O＋½O2+2e2H2O+2e2OH-+H2采用Ni或Ni合金电极，效率～75％SPE电解水技术的主要问题是质子交换膜和电极材料的价格昂贵。(2)质子膜电解水发生器隔膜:全氟磺酸膜(Nafion)阴极:Pt黑阳极:Pt、Ir等的合金或氧化物氢燃料的制取技术3、生物质制氢(1)生物质能的特点•可再生性，生物质能通过植物光合作用再生，可保证其永续利用；•低污染性，生物质硫、氮含量低、燃烧生成SO2等较少，生长时所需CO2相当于排放量，因而CO2净排放量近似于零，可减轻温室效应；•广泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；•总量十分丰富，仅次于煤炭、石油和天然气。(2)生物制氢技术•藻类和蓝细菌光解水；•光合细菌光分解有机物；•有机物发酵制氢；•光合微生物和发酵性微生物的联合运用•生物质热解或气化制氢。氢燃料的制取技术半导体光催化制氢Z-型体系光催化法悬浮体系光催化法光电化学体系制氢4、光催化制氢体系氢燃料的制取技术5、太阳能制氢太阳热分解水制氢太阳能电解水制氢太阳能光化学分解水制氢太阳能光电化学分解水制氢模拟植物光合作用分解水制氢光合微生物制氢6、病毒提取氢提出者：美国女科学家安琪拉·贝尔彻M13病毒进行基因改造后，再让它吸附一个催化剂分子氧化铱和一个吸光物质锌卟啉，吸光物质源源不断地将阳光沿着病毒传递。在这样一个过程中，病毒充当了太阳能的传输通道，可以把太阳能从吸光物质传输到催化剂。在催化剂和太阳能的共同作用下，水就分解成了氢气和氧气。把氢气进行液化和压缩，就变成了高效清洁的绿色能源。比起太阳能电池板分解氢气，用病毒制造氢气的效率提高了4倍。三.氢燃料储运技术氢能的储存与输运是氢能应用的前提。但氢气无论以气态还是液态形式存在，密度都非常低，气态时为0.08988gL-1(约为空气的7%)，液态(-253℃)时为70.8gL-1(约为水的7%)。燃料气态(20℃、1atm)液态(沸点、1atm)绝对值/kgm-3相对于氢绝对值/kgm-3相对于氢氢气0.089881.0070.81.0甲烷0.658.13422.86.0汽油4.455.0700.09.9几种常用燃料的气态和液态下的密度氢在一般条件下以气态形式存在，且易燃(4-75%)、易爆(15-59%)，这就为储存和运输带来了很大的困难。当氢作为一种燃料时，必然具有分散性和间歇性使用的特点，因此必须解决储存和运输问题。储氢和输氢技术要求能量密度大(包含单位体积和质量储存的氢含量大)、能耗少、安全性高。当作为车载燃料使用(如燃料电池动力汽车)时，应符合车载状况所需要求。一般来说，汽车行驶400km需消耗汽油24kg，而以氢气为燃料则只需要8kg(内燃机，效率25%)或4kg(燃料电池，效率50-60%)。3.1氢气储存和输运中的考虑因素总体说来，氢气储存可分为物理法和化学法两大类。物理储存方法主要包括液氢储存、高压氢气储存、活性炭吸附储存、碳纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。化学储存方法有金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机