氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課 程 結(jié) 業(yè) 論 文題 目： 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 課程名稱： 現(xiàn)代汽車新技術(shù)概論 所屬院部： 指導(dǎo)教師： 20132014學(xué)年 第 1 學(xué)期目錄第一章 緒論1 1.1氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史1 1.2 氫動(dòng)力汽車的現(xiàn)狀2 1.3氫動(dòng)力汽車的研究發(fā)展方向3 1.4發(fā)展氫動(dòng)力汽車的必要性 3第二章 氫氣能源性質(zhì)4 2.1 氫的特征4 2.2氫氣與傳統(tǒng)燃料的性質(zhì)對(duì)比5 2.3 氫能的開發(fā)和利用6 2.3.1 氫能的開發(fā)6 2.3.2氫能的應(yīng)用8第三章 氫氣的存儲(chǔ)10 3.1高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫10 3.2液氫儲(chǔ)氫11 3.3金屬氫化物儲(chǔ)氫11 3.

2、4 漿液儲(chǔ)氫技術(shù)12第四章 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景13專心-專注-專業(yè)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀第一章 緒論1.1氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史隨著“汽車社會(huì)”的逐漸形成，汽車保有量不斷地上升，而石油等資源卻捉襟見肘，同時(shí)，消耗大量汽油的車輛不斷排放有害氣體和污染物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。這一問題的解決之道當(dāng)然不是限制汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而是開發(fā)替代石油的新能源氫能。 氫作為內(nèi)燃機(jī)的燃料并是人類最近的發(fā)明。在內(nèi)燃機(jī)中使用氫氣已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。 人類歷史上第一款氫氣內(nèi)燃機(jī)的歷史可以上溯到 1807 年，瑞士人伊薩克·代·李瓦茨制成了單缸氫氣內(nèi)燃機(jī)。他把氫氣充進(jìn)氣缸，氫氣在氣缸內(nèi)燃燒，最終推動(dòng)活塞往

3、復(fù)運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)發(fā)明在 1807 年 1 月 30 日獲得法國專利，這是第一個(gè)關(guān)于汽車產(chǎn)品的專利。但由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平所限，制造和使用氫氣遠(yuǎn)比使用蒸汽和汽油等資源復(fù)雜，氫氣內(nèi)燃機(jī)于是被蒸汽機(jī)、柴油機(jī)以及汽油機(jī)“淹沒”。 早在十九世紀(jì)中期，人們就開始對(duì)使用氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料產(chǎn)生了興趣。1841 年英國頒發(fā)了第一個(gè)用氫氣和氧氣的混合氣體工作的內(nèi)燃機(jī)專利證。1852 年，慕尼黑的宮廷鐘表技師制成一臺(tái)用氫氣-空氣混合氣體工作的內(nèi)燃機(jī)。 在氫內(nèi)燃機(jī)的歷史上，德國一直占有很重要的地位。德國的 Rudolph Erren 嘗試在氫內(nèi)燃機(jī)中采用內(nèi)部混氣的方式。在他的研究工作中，穿過內(nèi)燃機(jī)的冷水套的管道，氫氣被一

4、些小噴嘴直接噴入氣缸內(nèi)進(jìn)行混合。氫噴入的質(zhì)量和時(shí)間由燃料分配器控制，這種方案可以用任何燃料或是采用雙燃料的方式讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作。他還提出氫氧內(nèi)燃機(jī)構(gòu)想，并據(jù)此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，用到潛艇上。德國的奔馳公司開發(fā)組建的氫動(dòng)力車隊(duì)是世界首個(gè)用氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的車隊(duì)，該車隊(duì)在柏林已經(jīng)試運(yùn)行多年。氫氣輸送管道，加氫站也是最先在德國興建的?，F(xiàn)在，空中客車公司德國分部，奔馳航空公司也都正在努力開發(fā)裝備氫動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)的空中飛機(jī)。德國的其他汽車公司如寶馬等都在大力發(fā)展氫動(dòng)力汽車。1.2 氫動(dòng)力汽車的現(xiàn)狀日本自 1984 年實(shí)施“陽光計(jì)劃”，投入示范運(yùn)行氫動(dòng)力車，僅日本武藏工業(yè)大學(xué)就有多達(dá)九輛的氫動(dòng)力車投入試驗(yàn)，且型號(hào)各不相

5、同；日本各大汽車公司，如馬自達(dá)，本田等，也都在積極加入氫動(dòng)力車行列；馬自達(dá)公司推出了第一款氫動(dòng)力概念車 HR-X，金屬氫化物儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫，使用轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，精確的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是該車的三大特點(diǎn)，公司隨后對(duì)該車型進(jìn)行了改進(jìn)，新款的 HR-X2 氫動(dòng)力車功率可達(dá)到 98kw，該公司同時(shí)還對(duì)其他車型進(jìn)行氫動(dòng)力改裝和氫能燃料電池的開發(fā)。美國雖然涉足較晚，但其對(duì)氫動(dòng)力車的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，是氫燃料界的后起之輩。首先，美國加州出臺(tái)了“汽車零排放”標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定：1998 年和 2003 年，銷售的汽車中必須有 1%和 10%的“零排放”汽車，其中包括氫燃料汽車，其他各州也制定了相應(yīng)的規(guī)定，保證替代能源計(jì)劃的

6、實(shí)施，這些法規(guī)的制定對(duì)氫動(dòng)力車行業(yè)的發(fā)展起到很大的作用，使得氫動(dòng)力車再次進(jìn)入人們的視線。其次，美國科研機(jī)構(gòu)及個(gè)人的研究成果與廣泛參與也推動(dòng)氫動(dòng)力車的發(fā)展。2003 年，歐盟公布了氫能發(fā)展構(gòu)想的報(bào)告和行動(dòng)計(jì)劃，該計(jì)劃將獲得高達(dá) 20 億美元的投資，計(jì)劃到 2030 年使氫燃料汽車的比例達(dá)到 15%，而到 2040 年底該比例至少翻一番，并創(chuàng)立歐洲氫燃料電池組織。而“歐洲清潔城市運(yùn)輸項(xiàng)目計(jì)劃”(CUTE)將投資 1850 萬歐元，在歐洲進(jìn)行廣泛的氫燃料電池公共汽車試驗(yàn)，共有 9 個(gè)國家，13 坐城市，40 家企業(yè)，31 輛燃料電池公共汽車參加該項(xiàng)目。加拿大政府提出 “氫能早期采用者計(jì)劃”，將投入

7、2.15 億加元，用于發(fā)展新觀念，包括氫動(dòng)力高速公路的投資建設(shè)。政府出資 2300 萬加元宣傳推廣燃料電池車。此外還有“加拿大氫能燃料電池伙伴”、“溫哥華燃料電池案”以及“燃料電池輸送復(fù)合項(xiàng)目”等項(xiàng)目。同時(shí)，巴拉德公司鼓勵(lì)投資加拿大政府興建世界第一條氫能公路。在公路上設(shè)置 7 個(gè)制氫點(diǎn)，使用其制取的氫氣，以推動(dòng)車用氫燃料電池更廣泛的運(yùn)用，而這些都只是加拿大氫能長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃中的一部分。 韓國雖然對(duì)氫燃料技術(shù)的研究比美、日等國家落后四、五年，但其也公布了以氫能為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)能源政策，期望到 2020 年，使交通對(duì)原油的依賴減少 20%，該政策將陸續(xù)投資達(dá)8.43 億美元。目前，所有的汽車巨頭都在開發(fā)

8、替代能源汽車。電力曾經(jīng)被認(rèn)為是未來汽車的動(dòng)力，但蓄電池漫長(zhǎng)的充電時(shí)間和龐大的重量漸漸使得人們對(duì)它失去了興趣。而目前使用電與油混合動(dòng)力車只能暫時(shí)地緩解能源危機(jī)，只能減少但無法擺脫對(duì)石油的依賴。這個(gè)時(shí)候，氫動(dòng)力汽車的出現(xiàn)，給人們帶來無限的希望和憧憬。 美國通用汽車公司通過甲醇燃料電池，采用甲醇經(jīng)過重整產(chǎn)生氫氣作為燃料。燃料電池的輸出功率 45 至 69kW，起動(dòng)時(shí)間約 30 秒，續(xù)航大約為五千小時(shí)或六萬公里。美國能源部與福特汽車公司共同投資 1500 萬美元用于開發(fā)燃料電池，目的為從汽油中制取氫燃料，其燃燒效率較汽油燃機(jī)高出近一倍。圖1 通用汽車的氫燃料電池車克萊斯勒汽車公司開發(fā)了在轎車上使用的燃

9、料電池，該燃料電池采用汽油重整處理產(chǎn)生的氫氣作為燃料。燃料電池的功率約為 50kW，起動(dòng)時(shí)間約為 30s，過渡時(shí)間 7s，續(xù)航能力5000h 或 160 萬 km。其連續(xù)行駛里程由汽油的儲(chǔ)備量決定，能夠達(dá)到與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車相似的效果，該型汽車裝有燃料處理系統(tǒng)、氧化處理系統(tǒng)（POX）、燃料電池、汽油箱和電子控制系統(tǒng)，燃料處理系統(tǒng)包括燃燒器、汽化器。寶馬汽車公司旗下的 BMW 也推出了 H2R 氫能試驗(yàn)賽車，“車速世界紀(jì)錄保持者氫燃料賽車”。2004 年 9 月，H2R 氫能賽車在一天之內(nèi)連續(xù)創(chuàng)造了 9 項(xiàng)世界紀(jì)錄，讓人們見識(shí)了氫燃料電池車的巨大魅力和潛力，同時(shí)也表明 BMW 集團(tuán)對(duì)氫燃料取代傳統(tǒng)

10、燃料這一汽車領(lǐng)域發(fā)展方向的堅(jiān)定信念。同時(shí)，寶馬公司并計(jì)劃在 2005 年大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料以供氫燃料汽車使用，為此已投入 10 億歐元，并且準(zhǔn)備繼續(xù)追加 10 億歐元。1.3氫動(dòng)力汽車的研究發(fā)展方向氫動(dòng)力車有燃?xì)淦嚭腿剂想姵剀噧煞N。氫燃料電池車可完全去除氮氧化物的排放，而效率高達(dá)常規(guī)汽車的 3 倍，使用壽命較常規(guī)汽車多出 50%，隨車貯存也較為方便。同時(shí)因其運(yùn)動(dòng)部件較少，維護(hù)費(fèi)用也較低。 這種模式包括兩種方式。第一種是直接使用氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，其代表產(chǎn)品是美國通用公司的“氫動(dòng) 1 號(hào)”。它的設(shè)備主要包括燃料電池堆、液儲(chǔ)氫罐、電子驅(qū)動(dòng)裝置、壓縮機(jī)等。 另一種方式的燃料電池車不直接攜帶氫氣，

11、而是攜帶能夠通過重整制造出氫氣的物質(zhì)，先通過碳?xì)浠衔锘瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，再通過氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能。法國在電動(dòng)汽車上運(yùn)用“遠(yuǎn)程”型號(hào)燃料電池，以低溫存儲(chǔ)的氫作為電池燃料，所產(chǎn)生的功率可達(dá)到 30kW,工作電壓達(dá) 90V。這種電動(dòng)汽車裝有的蓄電池，可以為電動(dòng)汽車在起動(dòng)加速時(shí)提供所需的過載電流。 目前 PEM 燃料電池具有高效、快速啟動(dòng)、低溫度啟動(dòng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此備受世人注目。在第 11 屆世界氫能大會(huì)上，奔馳公司推出一款 PEM 氫燃料電池電動(dòng)汽車，該車可在 20秒內(nèi)由靜止加速到 48km/h，可冷啟動(dòng)，5kg 氫氣即可供車行駛 250km，效率高達(dá) 60-65%，引起人們的強(qiáng)烈興趣。 另

12、一種運(yùn)用方式為燃?xì)淦嚕朔椒匆詺錃鈨?nèi)燃機(jī)替代汽油機(jī)，安裝在汽車上。涉及到的氫內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理，供氫和氫氣噴射過程的控制，氫內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)，氫的隨車貯存制取技術(shù)等都需要進(jìn)一步深入的研究。針對(duì)燃?xì)鋬?nèi)燃機(jī)的效率，上海交通大學(xué)動(dòng)力裝置研究所做了詳細(xì)的模擬計(jì)算。該內(nèi)燃機(jī)的模擬計(jì)算是以汽油內(nèi)燃機(jī)改裝的氫內(nèi)燃機(jī)為原型進(jìn)行的。氫內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍采用原汽油機(jī)的參數(shù)，二者在相同的工況下進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬計(jì)算。1.4發(fā)展氫動(dòng)力汽車的必要性汽車的大量使用，使得能源短缺和污染陷入了惡性循環(huán)。一方面，機(jī)動(dòng)車消耗了大量的石油和天然氣資源；另一方面，汽車尾氣排放成為環(huán)境的重要污染源，酸雨、溫室效應(yīng)都與尾氣排放污染有重要關(guān)系。在美

13、國，空氣中 66的一氧化碳排放物來自內(nèi)燃機(jī)，其它排放物如NOx、Pb、CO2、有害塵埃及揮發(fā)性有機(jī)化合物等占有比率也很高。汽油內(nèi)燃機(jī)排放產(chǎn)物對(duì)人體和環(huán)境將帶來嚴(yán)重的影響。一氧化碳是不完全燃燒的產(chǎn)物，它是一種無色、無刺激、無味的氣體。吸入人體后，與血液中的血紅素結(jié)合，其親和力比氧氣大 210 倍，將快速形成碳氧血色素，使血液?jiǎn)适л斞跄芰Γ率谷梭w缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴(yán)重時(shí)還將造成死亡。碳?xì)浠衔镏饕前l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的未燃燃料、裂解反應(yīng)的中間產(chǎn)物，成分復(fù)雜多樣。具有強(qiáng)烈刺激性氣味，在動(dòng)物身上以證明具有致癌作用。氮氧化物是在燃燒室內(nèi)的高溫燃燒過程中產(chǎn)生的，空氣中的氮?dú)饨?jīng)過氧化首先生成

14、一氧化氮，然后與大氣中的氧相遇生成二氧化氮。氮氧化物進(jìn)入肺，將形成亞硝酸和硝酸，對(duì)肺組織產(chǎn)生刺激作用，引起肺炎、肺水腫等。如果吸入高濃度的氮氧化物后甚至?xí)怪袠猩窠?jīng)癱瘓。碳?xì)浠衔镞€將產(chǎn)生光化學(xué)煙霧。20 世紀(jì) 40 年代以來，光化學(xué)煙霧事件在美國洛杉磯、日本東京等城市曾多次發(fā)生，造成巨大的人員傷亡，帶來龐大的經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)這些嚴(yán)峻殘酷的現(xiàn)實(shí)，無污染的新能源汽車的發(fā)展不可避免地被提上了各國政府的議事日程。目前所使用的可再生能源如水力、太陽能、生物質(zhì)能和風(fēng)能等，這些能源具有一些缺點(diǎn)，如這些能源在儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離運(yùn)輸上存在不便。這些存在的困難，使對(duì)其的利用帶有局限性，因此極度需要一種能作為轉(zhuǎn)換載體的能

15、源。氫能，作為這種載體，一種二次能源，可以得到很大程度的依賴，以解決連接和轉(zhuǎn)換過程中的不便。氫氣資源可以產(chǎn)生于多種途徑，如無窮盡的海水、可再生植物、煤炭、天然氣等，在地球上可謂無處不在，是一種取之不盡，用之不竭的新能源。氫能可以為整個(gè)能源體系的運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。氫能作為清潔、無污染的主要能源，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境、控制溫室氣體，降低污染都具有十分重要的作用。同時(shí)，不可再生化石燃料資源的巨大消耗是另一個(gè)不可忽視的問題。最新的資料表明，世界范圍可開采石油儲(chǔ)量的可靠供應(yīng)期只有20 年，而世界范圍內(nèi)的能源消耗沒有稍減反而在逐年上升。而中國是一個(gè)人口大國，也是一個(gè)能源消費(fèi)大國，汽車每年約消耗我國汽油

16、總產(chǎn)量的 85%，柴油總產(chǎn)量的 20%，資料顯示，預(yù)計(jì)到 2020 年，汽車對(duì)燃油需求將達(dá)到 2.5 億噸，為 2020 年全國石油總需求的 60%，換句話說，到那時(shí)僅汽車一項(xiàng)就將要消耗超過一半的我國自產(chǎn)、進(jìn)口石油。如此巨大的能源缺口直接關(guān)系到能源安全，國家安全。為解決這一問題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看應(yīng)考慮氫能的作用。而各國正在或準(zhǔn)備花費(fèi)巨資用于氫能汽車的研發(fā)制造上,這也是人類社會(huì)繼續(xù)發(fā)展的必然要求。第二章 氫氣能源性質(zhì) 2.1 氫的特征氫能是一種可以再生的永久性的能源。它可以用各種一次性能源,特別是核能和太陽能將水直接分解來獲得。氫燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣又可以重新恢復(fù)為水,這種水一氫/氫一水之間的永久性循環(huán)

17、,使氫成為最理想的能源。氫是一種清潔的新能源。氫和氧燃燒時(shí)生成清潔和無污染的水。由于氫中不含C、S及其他有害雜質(zhì),因此它在空氣中燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生COx、HC、SOX、和致癌物質(zhì),它燃燒后產(chǎn)生唯一的有害物為NOx,由于抑制單一有害物要比抑制多種成因復(fù)雜的有害物容易得多,更何況氫燃料內(nèi)燃機(jī)的單機(jī)NO、排放量要比傳統(tǒng)石油燃料的單機(jī)排放量低得多2.2氫氣與傳統(tǒng)燃料的性質(zhì)對(duì)比氫氣與天然氣、汽油等相比,單位質(zhì)量的能量密度高,可燃界限寬,燃燒速度快,是一種良好的車用燃料。表1比較了氫氣與天然氣、汽油在燃燒特性方面的差異表1 氫氣、天然氣和汽油在燃燒特性方面的比較特性氫氣天然氣汽油低熱值/kj.g -11205

18、044.5L理論空燃比質(zhì)量比34.3817.2514.7體積比2.389.528.586自然溫度/585540228501火焰溫度/204518752200辛烷值（RON）1301258090常溫常壓下火焰粹冷距離/cm0.0640.2030.2在空氣中的燃燒濃度范圍/%4755.3151.37.6常溫常壓下的氣體濃度/kg.m-10.0820.654.6最小點(diǎn)火能量/µJ20290240混合氣熱值/MJ·m-33.1843.393.733.83火焰?zhèn)鞑ニ俣?m·s-129134373847在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)/m2·s-10.610.160.05（1）氫

19、氣的單位質(zhì)量低熱值高 約是汽油低熱值的2.7倍,但氫氣與空氣的理論混合氣標(biāo)態(tài)熱值只有3.186MJ/m3,大約低于汽油18%。（2）可燃混合氣濃度范圍很大 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒,提高經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)可以降低最高燃燒溫度,大幅度地減少NO、的排放量。（3）自燃溫度較高 氫的自燃溫度較天然氣和汽油都要高,利于提高壓縮比,提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的熱效率。這一特性也決定了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)難以像柴油機(jī)那樣采用壓燃點(diǎn)火,而適宜于火花塞點(diǎn)火。（4）點(diǎn)火能量很低 盡管氫燃料的自燃點(diǎn)比天然氣、汽油等燃料都要高,但它所需要的點(diǎn)火能量卻很低,最小可以低到0.OZmJ。因此,氫燃料內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)幾乎從不失火,并具有良好的啟動(dòng)性。

20、（5）燃燒速度快 氫的燃燒反應(yīng)按鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?2.91m/s),是汽油的7.72倍，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)抗爆性比汽油好,可以采用較高的壓縮比,因此熱效率比燃燒純汽油時(shí)高。（6）氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)很大 氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是汽油的12倍,因此氫氣比汽油更容易和空氣混合形成均勻的混合氣。但是,高的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)防止泄露不利。由于氫氣的分子極小,滲透性很強(qiáng)。由此引起的金屬表面脆性和存儲(chǔ)時(shí)的緩慢滲漏也是氫燃料應(yīng)用中的一個(gè)十分棘手的問題。（7）氫氣密度很低 常溫常壓下,氫氣的密度只有天然氣的1/8。對(duì)于車用燃料來講,當(dāng)車輛的續(xù)駛里程一定時(shí),氫氣所需的儲(chǔ)氣罐就要比其它燃料的大得多。（8）有害排放

21、物少 氫氣燃燒的主要產(chǎn)物是水,可以循環(huán)利用。不產(chǎn)生CO及HC,但產(chǎn)生一定量的NOx。在稀燃狀態(tài)下,NO、的排放量可大大降低。同時(shí)氫氣火焰的淬冷距離比汽油小,因此靠近缸壁激冷層的可燃混合氣燃燒得更完全。抑制單一有害物要比抑制多種成因復(fù)雜的有害物容易得多,這使得氫氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2.3 氫能的開發(fā)和利用2.3.1 氫能的開發(fā)氫氣能否被廣泛使用，制氫工藝是基礎(chǔ)。因?yàn)樗肿又袣湓雍脱踉拥慕Y(jié)合非常牢固，要把它們分開，需花費(fèi)很大的力氣。比方說，單純加熱，必須加熱到二、三千攝氏度的高溫，才能把水分解成氫氣和氧氣。這樣有兩個(gè)要求，首先消耗很多的能量，其次還要有相應(yīng)的耐高溫、耐高壓設(shè)備。為了

22、避開這個(gè)難點(diǎn)，目前常用的方式主要還是利用天然氣、煤炭和石油產(chǎn)品作為原料制取氫氣。（1）礦物燃料制氫是利用化學(xué)的方法將礦物燃料的氫元素提取出來。煤的焦化，即通過高溫干餾煤的方式生產(chǎn)焦炭，同時(shí)過程中產(chǎn)生一種氣體產(chǎn)品煉焦煤氣，從煉焦煤氣可以制得氫氣。這是一種古老的制氫方法，而且氫氣只是一種副產(chǎn)品。水煤氣轉(zhuǎn)化。將水蒸汽通過熾熱的煤層以制得水煤氣， CH2O = COH2- Q 然后混合水煤氣和水蒸汽，以氧化鐵等為催化劑，在 500 到 5500 攝氏度使水煤氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，同時(shí)生成氫氣。COH2O = CO2+H2+Q最后加壓混合氣體，水洗后使二氧化碳溶于水，即分離出氫氣。從天然氣（石油

23、煉制廠的副產(chǎn)氣體）、油田氣等氣體中制取氫氣。原理為把碳?xì)浠衔?，如甲烷高溫下進(jìn)行裂解，可制取氫氣。CH4= C + 2H2另一種方式，在鎳催化劑存在下，碳?xì)浠衔?，如甲烷和水蒸汽?800 到 9000 攝氏度時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果產(chǎn)生氫氣和一氧化碳的混合氣體。CH4H2O =CO+3H2.分離二者的方法是：應(yīng)用水煤氣轉(zhuǎn)化法把一氧化碳轉(zhuǎn)成二氧化碳，加壓使二氧化碳溶解于水，獲得氫氣。 碳?xì)浠衔锊糠盅趸ㄖ茪湓硗希瑓^(qū)別不大，碳?xì)浠衔锖退羝诖呋瘎┳饔孟律蓺錃狻⒁谎趸?、二氧化碳的混合氣體，然后通過在混合氣體中加進(jìn)過量水汽，依靠其他催化劑的作用，生成更多的氫氣和二氧化碳。 這些方法有些共同

24、點(diǎn)，其大多數(shù)需要催化劑并且在高溫下進(jìn)行；催化劑多數(shù)是鎳的化合物；它們都以碳?xì)浠衔餅樵?，無法擺脫對(duì)化石燃料的依賴，所以這些制氫方法都稱不上是一種有前途的制氫方法。（2）解水制氫法。在水中放進(jìn)一點(diǎn)電解質(zhì)如氫氧化鈉、硫酸鉀、硫酸，將其通電，電極上就能釋放出氫氣。使用電解水的方式制得氫氣的純度可達(dá) 99.599.8%。 2H2O =2H2+O2電解法制取氫氣雖然不依賴礦物燃料，但是耗電量很大，每生產(chǎn) 1kg 氫氣需要消耗五、六十度電，成本較高。只有在電力供應(yīng)富足、價(jià)格低下的情況下，電解水制氫才有可能成為人們普遍的制氫方法，為大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料做出新貢獻(xiàn)。（3）化工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品氫氣的回收，如氯堿

25、工業(yè)、冶金工業(yè)等。 2NaCl+2H2O=Cl2+2NaOH+H2（4）熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。該方法的原理為：在反應(yīng)系統(tǒng)中加入中間物質(zhì)，經(jīng)歷幾個(gè)不同的反應(yīng)階段，最終將水分解為氫氣和氧氣，且中間物不消耗。這實(shí)質(zhì)上是加熱直接分解水的方法，不過并不是僅僅單純依靠加熱把氫、氧分開，而是通過化學(xué)藥品（如二氧化硫、硫酸和硫酸鉍）與水反應(yīng)，分多步驟將水分解從而制得氫氣，形成一個(gè)化學(xué)循環(huán)，所以又稱為分步反應(yīng)分解水制氫法。在熱化學(xué)法制氫中，不同的化學(xué)反應(yīng)有不同的化合物如硫、鉍、氯、鎳、鉀、鋰、鈣、溴、汞、鐵、碘、銅等的化合物作為中間反應(yīng)物參加，反應(yīng)溫度大多為八、九百攝氏度，高的也僅有一千度。化學(xué)反應(yīng)結(jié)束，化學(xué)藥

26、品的數(shù)量并沒有減少，可以回收循環(huán)使用，整個(gè)過程消耗的只是水，最終將水分解成氫氣和氧氣。 現(xiàn)在，研究者已提出了多種熱化學(xué)分解水制氫的方案，并且正在積極找尋最佳的制氫方案。唯一的問題是，熱化學(xué)法制氫仍舊離不開加熱。如果能把這種方法同核反應(yīng)堆緊密聯(lián)系到一起，利用核反應(yīng)堆的余熱來提供反應(yīng)所需要的能量，同時(shí)解決高溫、腐蝕性、投資大等其余限制條件，那么就可以充分推廣這種方式。（5）光化學(xué)制氫法。它是在光照催化劑的作用下，促使水分解制得氫氣的一種方法。目前已經(jīng)有了功能強(qiáng)大的太陽能高溫爐，其溫度可達(dá)四千攝氏度，這樣高的溫度，用于直接加熱分解水或熱化學(xué)循環(huán)法制取氫氣都是可能的。2.3.2氫能的應(yīng)用利用氫氣代替汽

27、油作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，已經(jīng)經(jīng)過美國、日本、德國等許多汽車公司的試驗(yàn)，技術(shù)是可行的。美、德、法等國采用氫化金屬貯氫，而日本則采用液氫燃料組裝的燃料電池汽車進(jìn)行示范，已進(jìn)行了上百萬公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)，汽車的經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和安全性均較好。美國和加拿大計(jì)劃還從加拿大西部到東部的大鐵路上運(yùn)行使用液氫和液氧為燃料的機(jī)車。美國政府宣布將投資 17 億美元把“氫能”作為新一代能源的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。2006 年，布什政府提出，在未來 20 年內(nèi)，美國人將開上氫燃料電池動(dòng)力汽車，日本的豐田、本田等公司也在研究氫燃料汽車。中國長(zhǎng)安汽車也在 2007 年完成了中國第一臺(tái)高效零排放氫內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火，并于 2008 年北京車

28、展上展出了自主研發(fā)的中國第一輛氫動(dòng)力概念跑車“氫程”。圖2 氫動(dòng)力汽車氫能是一種高效的燃料，每公斤的氫燃燒所產(chǎn)生的能量為 33.6 千瓦時(shí)，幾乎等于汽油燃燒的 2.8 倍。氫氣不僅熱值高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆?，點(diǎn)火能量低（容易點(diǎn)著），所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率高 20%。氫氣燃燒生成物是水，同時(shí)可能會(huì)伴有極少的氮氧化物，絕對(duì)不會(huì)產(chǎn)生汽油燃燒時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等對(duì)環(huán)境造成污染的有害成分。因此氫能汽車是最環(huán)保，最理想的交通工具。除了完全使用氫氣替代汽油，現(xiàn)在人們也在積極探索其他的利用方式，例如摻氫。這種汽車的特點(diǎn)是燃用汽油和氫氣的混合燃料，讓混合氣在稀薄的狀態(tài)下工作，

29、以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況。在中國，許多城市交通擁擠，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)處于部分負(fù)荷下運(yùn)行，采用摻氫燃燒方式的汽車將尤為有利?，F(xiàn)在有許多工業(yè)余氫氣未能回收利用，若將其適當(dāng)?shù)乩?，其?jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都是良好的。第三章 氫氣的存儲(chǔ)目前所有實(shí)際可用的隨車儲(chǔ)氫或制氫技術(shù)，包括高壓儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、漿液儲(chǔ)氫以及車載汽油重整制氫裝置、甲醇重整制氫裝置和天然氣重整裝置等等。下面將詳細(xì)介紹這些儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展與利弊。3.1高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫儲(chǔ)氫是以氫的相圖為基礎(chǔ)的。下圖3為氫的簡(jiǎn)單相圖圖3 氫的簡(jiǎn)單相圖在室溫和一個(gè)大氣壓下，儲(chǔ)存 4kg 氣態(tài)氫氣需要占據(jù) 45m3的容積。高壓儲(chǔ)氫通過提高氫氣壓力以達(dá)到減小體積

30、的目的。然而氣體壓力與容器重量呈正比，因此即使氫氣被高壓壓縮，其能量密度仍然沒有提高?，F(xiàn)在高壓儲(chǔ)氫罐已經(jīng)出現(xiàn)在一些汽車產(chǎn)品中。例如，日本豐田公司推出的 FCHV-BUS2 混合動(dòng)力巴士，這款車型使用的就是高壓儲(chǔ)氫罐。高壓儲(chǔ)氫方式應(yīng)用廣泛、簡(jiǎn)便易行，具有制造安裝成本低、充放氫氣的速度快、常溫下可操作等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是需要大重量的耐壓容器，并在壓縮氫氣過程中，能量消耗較大，能量密度通常比較低。3.2液氫儲(chǔ)氫液氫的制取是將純氫冷卻到零下 253 攝氏度使之液化，然后裝灌至“低溫儲(chǔ)罐”中存儲(chǔ)。這一過程是通過多循環(huán)的絕熱膨脹來達(dá)成的。像液化天然氣一樣, 液氫也可以作為一種氫的儲(chǔ)存狀態(tài)。但由于液氫沸點(diǎn)很低且氣化潛熱為 0.45kJ/g , 因此, 液氫的溫度與外界的溫度存在巨大的差距, 外界一點(diǎn)熱量滲入容器, 便可造成液氫的劇烈沸騰而損失。如何保持超低溫是隨車液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的核心難題。為了避免和減少蒸發(fā)帶來的損失, 液氫儲(chǔ)罐常采用雙層壁結(jié)構(gòu), 內(nèi)外層罐壁之間除保持真空外, 還需布置多層薄鋁箔以防止內(nèi)外的熱量傳遞。圖4 車載液氫儲(chǔ)罐示意圖3.3金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化