氢燃料与氢能源清洁汽车应用现状

2020-02-25 17:46:42 刘国琼 15

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氢作为二次能源来源广泛,也算得上是“地球村”最为丰富的资源。它不仅可以来源于化石能源的工业副产品,还可以通过太阳能、风能、潮汐能等不稳定供电的可再生能源电解水制氢,还可以从煤气、天然气、细菌分解得到,可以回忆一下,我们在中学化学就有实验室测试过将氢气电解,点燃冒着蓝色火焰的场景,其实它更重要的是“可再生”和“重复利用”。

 

目前氢的制备主要有水、生物、石化燃料制氢。氢能源的转化效率比石油高出10倍之多,目前,汽车领域氢能源的使用主要是通过燃料电池和氢气发动机。可再生能源制氢是可预见性的燃料发展的最高点,所以现在的车企都要造氢能源车,氢能源具备下面几个特点。

 

一是自然界存在最普遍的元素,氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖,念一遍,氢排第一,量子小但是数量多。除空气中含有氢气外,它的主要化合物的形态存储于水中,而水是地球上最广泛的物质。据科学家推算,如把海水中的氢全部提取,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

 

二是除核燃料外,氢的发热值是所有化石原料、化工原料和生物燃料最高的,为142.35千焦/公斤,是汽油发热值的3倍。

 

三是燃烧性能好,点燃快,体积分数占3%-97范围内均可燃烧。

 

四是无毒,与其它燃料相比,燃烧最清洁,除生成水和氮化氢外,没有内燃机烧汽油还烧出一氧化碳、二氧化碳、烃类化合物、粉尘颗粒物等等对环境有害物质,少量氮化氢经过处理,又变成氮气和氢气,生成的水继续循环使用。

 

五是利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用做结构材料。

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氢作为发动机燃料目前仍存在一些问题,由于氢的燃烧速度快,易产生早燃,进气管回火。氢的能量密度低,无论采用低温液化、高压压缩,还是其它金属吸附的方法,燃料及附加设备的质量和体积都比较大。另外就是氢的制造成本目前比较高,太阳能制氢的成本是汽油的100倍,如果有先进的制氢设备面世,太阳能的高效廉价利用,燃料电池技术进步,储氢技术的突破,我们将会有大量的氢作为能源的动力机械,不仅限于汽车。

 

氢能源在汽车行业中的应用,包括了发动机、制氢技术、储运方式三个重要环节。

 

利用氢能源的车用发动机主要有两种:氢燃料发动机和燃料电池发动机。氢燃料发动机分为纯氢燃料发动机和掺氢燃料发动机。纯氢燃料发动机是通过对现有汽油机进行适当改装后直接燃用氢气,氢气可以在排气管内与空气预混,也可以直接喷入气缸行成混合气体燃烧。掺氢发动机多多都是将氢作为汽油机的部分代用燃料,掺氢燃烧可以大大改善汽油机的性能和排放污染。目前国六OBD排放在线监测系统中,速锐得已经服务多家掺氢项目,降低重型柴油车的排放污染,提升燃烧效率。

 

燃料电池是一种等温进行,直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染转化为电能的发电装置。氢气与氧气生成水,电子通过外电路做功并构成电的回路,依靠电能驱动汽车,生成的水不稀释电解质,而是通过电极随反应尾气排出,只要能保证燃料和氧化剂的供给,燃料电池就可以连续不断产生电能。

 

制氢技术和储运方式就不展开了,都是大课题,和我们本身业务相关性不强,不展开理解。氢燃料汽车目前使用的内燃机是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料进行燃烧,产生动力。燃烧的产物只有水和NOx,不会产生颗粒、积炭等,从而大大减少了发动机的磨损和减轻润滑油被污染的程度,是目前发动机最清洁的燃料。但其效率低,大约只有38%左右,且由于氢燃料热值高,火焰传播速度快和点火范围宽等特点,氢燃料发动机容易出现早燃、回火、敲缸、发动机热负荷高等情况。燃氢汽车不会污染环境,是一种友好的绿色交通工具。

 

近年来随着燃料电池制造技术的提高,成本的降低,同时也迫于保护环境的压力,车企大佬们布局了氢燃料电池在汽车上的应用研究。车用的氢燃料电池主要是质子交换膜燃料电池,其利用氢和氧发生电化学反应而不是通过燃烧产生电,生成水,整个过程清洁无污染且高效,易操作,是未来交通工具的主要动力。随着各国各公司对燃料电池的巨额投入和关键技术的不断突破,燃料电池汽车必将取代内燃机汽车,从目前电动汽车来看,电动汽车也将长期存在。

 

为什么这么说呢?

 

氢作为汽车能源发展的制约因素还有如下三点:

一是高成本。氢能的获得、制取过程中要耗费大量能源,如不可再生资源、电能、核能等;作为气体燃料,它的储存、运输成本也是非常高昂;目前国内加氢站的基础设施还不多,全国加起来也就几十个,这些基础设施的建设需要很大的投入。

 

二是安全性。氢气密度小、容易着火和气化,因此在氢气的制取、储存和运输过程中都可能面临泄露和爆炸的危险。而现在的技术条件也无法保证氢气在不同状态下的性能。

 

三是制氢有污染。它本身是转换能源,目前有两种方式获得氢气,一是电解水,二是天然气重整。方法一世界绝大部分地区最廉价的电力是靠烧煤获得,如果采用电力能源来来电解水,会增大二氧化碳的排放;方法二天然气和水蒸气反应除了生成氢气外,也会生成二氧化碳。所以,使用氢能源车本身不排放二氧化碳,但是制氢过程释放的二氧化碳可能比传统汽油发动机释放的更多。

 

为了缓解石油资源紧缺带来的压力,各国政府和相应的机构在氢能源利用方面都制定了积极的政策和投资计划,世界能源巨头也积极参与了氢能的研究和利用。

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速锐得科技在氢能源领域,于2017年就开始针对丰田氢能源汽车Mirai进行整车控制策略的研究,这个车全球比较罕见,看上去像是改装型的氢能源车,大体价格在300多万零部件通用化程度很高,尺寸比奥迪A6还要大一点,主要是气罐占了不少的空间,第一代续航说有500多公里,实际在450多公里左右,由于加氢站点少,加氢比较麻烦,有加氢5分钟,路上2小时的说法。但是丰田氢能源汽车Mirai是具备规模化、商业化、技术相对成熟的车型,在氢燃料电池车的方面奠定了坚实的基础和行业先驱地位。


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