氢气发动机的发展和现状教材

1、程结业论文题 目：氢气发动机的发展和现状学生姓名：学生学号：专业班级：课程名称：现代汽车新技术概论所属院部：指导教师：2013 2014学年第 1 学期第一章绪论 11.1 氢气发动机的历史11.2 氢动力汽车的现状21.3 氢动力汽车的研究发展方向31.4 发展氢动力汽车的必要性3第二章氢气能源性质42.1 氢的特征42.2 氢气与传统燃料的性质对比52.3 氢能的开发和利用62.3.1 氢能的开发62.3.2 氢能的应用8第三章氢气的存储103.1 高压气瓶储氢103.2 液氢储氢113.3 金属氢化物储氢113.4 浆液储氢技术12第四章氢气发动机的发展前景13现代汽车新技术概论氢气发动

2、机的发展和现状第一章 绪论1.1 氢气发动机的历史随着“汽车社会”的逐渐形成，汽车保有量不断地上升，而石油等资源却捉襟见肘，同时，消耗大量汽油的车辆不断排放有害气体和污染物质，对环境造成严重的危害。这一问题的解决之道当然不是限制汽车产业的发展，而是开发替代石油的新能源氢能。氢作为内燃机的燃料并是人类最近的发明。在内燃机中使用氢气已有相当长的历史。人类历史上第一款氢气内燃机的历史可以上溯到1807 年，瑞士人伊萨克·代·李瓦茨制成了单缸氢气内燃机。他把氢气充进气缸，氢气在气缸内燃烧，最终推动活塞往复运动。该项发明在 1807 年 1 月 30 日获得法国专利，这是第一个关于汽

3、车产品的专利。但由于受当时的技术水平所限，制造和使用氢气远比使用蒸汽和汽油等资源复杂，氢气内燃机于是被蒸汽机、柴油机以及汽油机“淹没”。早在十九世纪中期，人们就开始对使用氢气作为内燃机燃料产生了兴趣。1841 年英国颁发了第一个用氢气和氧气的混合气体工作的内燃机专利证。1852 年， 慕尼黑的宫廷钟表技师制成一台用氢气- 空气混合气体工作的内燃机。在氢内燃机的历史上，德国一直占有很重要的地位。德国的Rudolph Erren 尝试在氢内燃机中采用内部混气的方式。在他的研究工作中，穿过内燃机的冷水套的管道，氢气被一些小喷嘴直接喷入气缸内进行混合。氢喷入的质量和时间由燃料分配器控制，这种方案可以用

4、任何燃料或是采用双燃料的方式让发动机工作。他还提出氢氧内燃机构想，并据此设计了实验，用到潜艇上。德国的奔驰公司开发组建的氢动力车队是世界首个用氢气作为内燃机燃料的车队，该车队在柏林已经试运行多年。氢气输送管道，加氢站也是最先在德国兴建的。现在，空中客车公司德国分部，奔驰航空公司也都正在努力开发装备氢动力内燃机的空中飞机。德国的其他汽车公司如宝马等都在大力发展氢动力汽车。1.2 氢动力汽车的现状日本自 1984 年实施 “阳光计划”， 投入示范运行氢动力车，仅日本武藏工业大学就有多达九辆的氢动力车投入试验，且型号各不相同；日本各大汽车公司，如马自达，本田等，也都在积极加入氢动力车行列；马自达公司

5、推出了第一款氢动力概念车HR-X， 金属氢化物储氢罐储氢，使用转子发动机，精确的实时控制系统是该车的三大特点，公司随后对该车型进行了改进，新款的 HR-X2 氢动力车功率可达到98kw，该公司同时还对其他车型进行氢动力改装和氢能燃料电池的开发。美国虽然涉足较晚，但其对氢动力车的发展起着至关重要的作用，是氢燃料界的后起之辈。首先，美国加州出台了“汽车零排放”标准，它规定： 1998 年和 2003 年，销售的汽车中必须有 1%和 10%的“零排放”汽车，其中包括氢燃料汽车，其他各州也制定了相应的规定，保证替代能源计划的实施，这些法规的制定对氢动力车行业的发展起到很大的作用，使得氢动力车再次进入人

6、们的视线。其次， 美国科研机构及个人的研究成果与广泛参与也推动氢动力车的发展。2003 年， 欧盟公布了氢能发展构想的报告和行动计划，该计划将获得高达20 亿美元的投资，计划到2030 年使氢燃料汽车的比例达到15%，而到2040 年底该比例至少翻一番，并创立欧洲氢燃料电池组织。而“欧洲清洁城市运输项目计划”(CUTE)将投资1850 万欧元，在欧洲进行广泛的氢燃料电池公共汽车试验，共有9 个国家，13 坐城市，40 家企业，31 辆燃料电池公共汽车参加该项目。加拿大政府提出 “氢能早期采用者计划”，将投入2.15 亿加元，用于发展新观念，包括氢动力高速公路的投资建设。政府出资2300 万加元

7、宣传推广燃料电池车。此外还有“加拿大氢能燃料电池伙伴”、 “温哥华燃料电池案”以及“燃料电池输送复合项目”等项目。同时，巴拉德公司鼓励投资加拿大政府兴建世界第一条氢能公路。在公路上设置7 个制氢点，使用其制取的氢气，以推动车用氢燃料电池更广泛的运用，而这些都只是加拿大氢能长期发展计划中的一部分。韩国虽然对氢燃料技术的研究比美、日等国家落后四、五年，但其也公布了以氢能为基础的经济能源政策，期望到2020 年，使交通对原油的依赖减少20%，该政策将陆续投资达8.43亿美元。目前，所有的汽车巨头都在开发替代能源汽车。电力曾经被认为是未来汽车的动力，但蓄电池漫长的充电时间和庞大的重量渐渐使得人们对它失

8、去了兴趣。而目前使用电与油混合动力车只能暂时地缓解能源危机，只能减少但无法摆脱对石油的依赖。这个时候，氢动力汽车的出现，给人们带来无限的希望和憧憬。美国通用汽车公司通过甲醇燃料电池，采用甲醇经过重整产生氢气作为燃料。燃料电池的输出功率45 至 69kW， 起动时间约30 秒， 续航大约为五千小时或六万公里。美国能源部与福特汽车公司共同投资1500 万美元用于开发燃料电池，目的为从汽油中制取氢燃料，其燃烧效率较汽油燃机高出近一倍。1 通用汽车的氢燃料电池车克莱斯勒汽车公司开发了在轿车上使用的燃料电池，该燃料电池采用汽油重整处理产生的氢气作为燃料。燃料电池的功率约为50kW， 起动时间约为30s

9、， 过渡时间7s ， 续航能力5000h或 160 万 km。 其连续行驶里程由汽油的储备量决定，能够达到与汽油发动机汽车相似的效果，该型汽车装有燃料处理系统、氧化处理系统（POX） 、燃料电池、汽油箱和电子控制系统，燃料处理系统包括燃烧器、汽化器。宝马汽车公司旗下的BMW 也推出了H2R 氢能试验赛车， “车速世界纪录保持者氢燃料赛车” 。 2004 年 9 月， H2R 氢能赛车在一天之内连续创造了9 项世界纪录，让人们见识了氢燃料电池车的巨大魅力和潜力，同时也表明BMW 集团对氢燃料取代传统燃料这一汽车领域发展方向的坚定信念。同时，宝马公司并计划在2005 年大规模生产氢燃料以供氢燃料汽

10、车使用，为此已投入10 亿欧元，并且准备继续追加10 亿欧元。1.3 氢动力汽车的研究发展方向氢动力车有燃氢汽车和燃料电池车两种。氢燃料电池车可完全去除氮氧化物的排放，而效率高达常规汽车的3 倍，使用寿命较常规汽车多出50%，随车贮存也较为方便。同时因其运动部件较少，维护费用也较低。这种模式包括两种方式。第一种是直接使用氢气和氧气反应产生电能，其代表产品是美国通用公司的“氢动 1 号” 。它的设备主要包括燃料电池堆、液储氢罐、电子驱动装置、压缩机另一种方式的燃料电池车不直接携带氢气，而是携带能够通过重整制造出氢气的物质，先通过碳氢化合物化学反应产生氢气，再通过氢气和氧气反应产生电能。法国在电动

11、汽车上运用“远程”型号燃料电池，以低温存储的氢作为电池燃料，所产生的功率可达到30kW,工作电压达90V。这种电动汽车装有的蓄电池，可以为电动汽车在起动加速时提供所需的过载电流。目前 PEM 燃料电池具有高效、快速启动、低温度启动、低成本等优点，因此备受世人注目。 在第 11 届世界氢能大会上，奔驰公司推出一款PEM 氢燃料电池电动汽车，该车可在20秒内由静止加速到48km/h ，可冷启动，5kg 氢气即可供车行驶250km，效率高达60-65%，引起人们的强烈兴趣。另一种运用方式为燃氢汽车，此方法即以氢气内燃机替代汽油机，安装在汽车上。涉及到的氢内燃机燃烧机理，供氢和氢气喷射过程的控制，氢内

12、燃机的设计，氢的随车贮存制取技术等都需要进一步深入的研究。针对燃氢内燃机的效率，上海交通大学动力装置研究所做了详细的模拟计算。该内燃机的模拟计算是以汽油内燃机改装的氢内燃机为原型进行的。氢内燃机的结构参数仍采用原汽油机的参数，二者在相同的工况下进行数学模拟计算。1.4 发展氢动力汽车的必要性汽车的大量使用，使得能源短缺和污染陷入了恶性循环。一方面，机动车消耗了大量的石油和天然气资源；另一方面，汽车尾气排放成为环境的重要污染源，酸雨、温室效应都与尾气排放污染有重要关系。在美国， 空气中66的一氧化碳排放物来自内燃机，其它排放物如NOx、Pb、 CO2、有害尘埃及挥发性有机化合物等占有比率也很高。

13、汽油内燃机排放产物对人体和环境将带来严重的影响。一氧化碳是不完全燃烧的产物，它是一种无色、无刺激、无味的气体。吸入人体后，与血液中的血红素结合，其亲和力比氧气大210 倍， 将快速形成碳氧血色素，使血液丧失输氧能力，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重时还将造成死亡。碳氢化合物主要是发动机废气中的未燃燃料、裂解反应的中间产物，成分复杂多样。具有强烈刺激性气味，在动物身上以证明具有致癌作用。氮氧化物是在燃烧室内的高温燃烧过程中产生的，空气中的氮气经过氧化首先生成一氧化氮，然后与大气中的氧相遇生成二氧化氮。氮氧化物进入肺，将形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生刺激作用，引起肺炎、肺水肿等。

14、如果吸入高浓度的氮氧化物后甚至会使中枢神经瘫痪。碳氢化合物还将产生光化学烟雾。20 世纪 40 年代以来，光化学烟雾事件在美国洛杉矶、日本东京等城市曾多次发生，造成巨大的人员伤亡，带来庞大的经济损失。面对这些严峻残酷的现实，无污染的新能源汽车的发展不可避免地被提上了各国政府的议事日程。目前所使用的可再生能源如水力、太阳能、生物质能和风能等，这些能源具有一些缺点， 如这些能源在储存和长距离运输上存在不便。这些存在的困难，使对其的利用带有局限性，因此极度需要一种能作为转换载体的能源。氢能，作为这种载体，一种二次能源，可以得到很大程度的依赖，以解决连接和转换过程中的不便。氢气资源可以产生于多种途径，

15、如无穷尽的海水、可再生植物、煤炭、天然气等，在地球上可谓无处不在，是一种取之不尽，用之不竭的新能源。氢能可以为整个能源体系的运行做出贡献。氢能作为清洁、无污染的主要能源，对改善能源结构、改善大气环境、控制温室气体，降低污染都具有十分重要的作用。同时，不可再生化石燃料资源的巨大消耗是另一个不可忽视的问题。最新的资料表明，世界范围可开采石油储量的可靠供应期只有20 年，而世界范围内的能源消耗没有稍减反而在逐年上升。而中国是一个人口大国，也是一个能源消费大国，汽车每年约消耗我国汽油总产量的85%，柴油总产量的20%，资料显示，预计到2020 年，汽车对燃油需求将达到2.5 亿吨， 为 2020 年全

16、国石油总需求的60%， 换句话说，到那时仅汽车一项就将要消耗超过一半的我国自产、进口石油。如此巨大的能源缺口直接关系到能源安全，国家安全。为解决这一问题，从长远来看应考虑氢能的作用。而各国正在或准备花费巨资用于氢能汽车的研发制造上,这也是人类社会继续发展的必然要求。第二章氢气能源性质2.1 氢的特征氢能是一种可以再生的永久性的能源。它可以用各种一次性能源, 特别是核能和太阳能将水直接分解来获得。氢燃烧后产生的水蒸气又可以重新恢复为水, 这种水一氢/ 氢一水之间的永久性循环 , 使氢成为最理想的能源。氢是一种清洁的新能源。氢和氧燃烧时生成清洁和无污染的水。由于氢中不含C、 S及其他有害杂质, 因

17、此它在空气中燃烧时不会产生COx、 HC、 SOX、和致癌物质, 它燃烧后产生唯一的有害物为NOx,由于抑制单一有害物要比抑制多种成因复杂的有害物容易得多, 更何况氢燃料内燃机的单机NO、排放量要比传统石油燃料的单机排放量低得多2.2 氢气与传统燃料的性质对比氢气与天然气、汽油等相比, 单位质量的能量密度高, 可燃界限宽, 燃烧速度快, 是一种良好1 比较了氢气与天然气、汽油在燃烧特性方面的差异表 1 氢气、天然气和汽油在燃烧特性方面的比较特性氢气天然气汽油低热值/kj.g -11205044.5L 理论 空燃比质量比34.3817.2514.7体积比2.389.528.586自然温度/585

18、540228501火焰温度/204518752200辛烷值（RON）1301258090常温常压下火焰粹冷距离/cm0.0640.2030.2在空气中的燃烧浓度范围/%4755.3151.37.6常温常压下的气体浓度/kg.m -10.0820.654.6最小点火能量/ J20290240混合气热值/MJ · m-33.1843.393.733.83火焰传播速度/m · s-129134373847在空气中的扩散系数/m 2 · s-10.610.160.05（ 1 ）氢气的单位质量低热值高约是汽油低热值的2.7 倍 , 但氢气与空气的理论混合气标态热值只有3.1

19、86MJ/m3, 大约低于汽油18%。（ 2） 可燃混合气浓度范围很大氢气发动机易于实现稀薄燃烧, 提高经济性, 同时可以降低最高燃烧温度, 大幅度地减少NO、的排放量。（ 3） 自燃温度较高氢的自燃温度较天然气和汽油都要高, 利于提高压缩比, 提高氢燃料内燃机的热效率。这一特性也决定了氢气发动机难以像柴油机那样采用压燃点火, 而适宜于火花塞点火。（ 4） 火能量很低尽管氢燃料的自燃点比天然气、汽油等燃料都要高, 但它所需要的点火能量却很低, 最小可以低到0.OZmJ。因此, 氢燃料内燃机工作时几乎从不失火, 并具有良好的启动性。（ 5） 烧速度快氢的燃烧反应按链式反应机理进行, 火焰传播速度

20、快（2.91m/s）, 是汽油的 7.72 倍， 在发动机中燃烧时抗爆性比汽油好, 可以采用较高的压缩比, 因此热效率比燃烧纯汽油时高。（ 6） 氢气在空气中的扩散系数很大氢气的扩散系数是汽油的12 倍 , 因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气。但是, 高的扩散系数对防止泄露不利。由于氢气的分子极小,渗透性很强。由此引起的金属表面脆性和存储时的缓慢渗漏也是氢燃料应用中的一个十分棘手的问题。（ 7） 气密度很低常温常压下, 氢气的密度只有天然气的1/8 。对于车用燃料来讲, 当车辆的续驶里程一定时, 氢气所需的储气罐就要比其它燃料的大得多。（ 8） 害排放物少氢气燃烧的主要产物是水,

21、可以循环利用。不产生CO及 HC,但产生一定量的NOx。在稀燃状态下,NO、的排放量可大大降低。同时氢气火焰的淬冷距离比汽油小, 因此靠近缸壁激冷层的可燃混合气燃烧得更完全。抑制单一有害物要比抑制多种成因复杂的有害物容易得多, 这使得氢气作为发动机燃料具有独特的优势。2.3 氢能的开发和利用2.3.1 氢能的开发氢气能否被广泛使用，制氢工艺是基础。因为水分子中氢原子和氧原子的结合非常牢固，要把它们分开，需花费很大的力气。比方说，单纯加热，必须加热到二、三千摄氏度的高温，才能把水分解成氢气和氧气。这样有两个要求，首先消耗很多的能量，其次还要有相应的耐高温、耐高压设备。为了避开这个难点，目前常用的

22、方式主要还是利用天然气、煤炭和石油产品作为原料制取氢气。（ 1 ）矿物燃料制氢是利用化学的方法将矿物燃料的氢元素提取出来。煤的焦化，即通过高温干馏煤的方式生产焦炭，同时过程中产生一种气体产品炼焦煤气，从炼焦煤气可以制得氢气。这是一种古老的制氢方法，而且氢气只是一种副产品。水煤气转化。将水蒸汽通过炽热的煤层以制得水煤气，C H2O = CO H2 - Q然后混合水煤气和水蒸汽，以氧化铁等为催化剂，在 500 到 5500 摄氏度使水煤气中的一氧化碳转化为二氧化碳，同时生成氢气。CO H2O = CO2+H2+Q最后加压混合气体，水洗后使二氧化碳溶于水，即分离出氢气。从天然气（石油炼制厂的副产气体

23、）、油田气等气体中制取氢气。原理为把碳氢化合物，如甲烷高温下进行裂解，可制取氢气。CH4= C + 2H 2另一种方式，在镍催化剂存在下，碳氢化合物，如甲烷和水蒸汽在800 到 9000 摄氏度时发生化学反应，结果产生氢气和一氧化碳的混合气体。CH4 H2O =CO+3H2.分离二者的方法是：应用水煤气转化法把一氧化碳转成二氧化碳，加压使二氧化碳溶解于水，获得氢气。碳氢化合物部分氧化法制氢原理同上，区别不大，碳氢化合物和水蒸汽在催化剂作用下生成氢气、一氧化碳、二氧化碳的混合气体，然后通过在混合气体中加进过量水汽，依靠其他催化剂的作用，生成更多的氢气和二氧化碳。这些方法有些共同点，其大多数需要催

24、化剂并且在高温下进行；催化剂多数是镍的化合物；它们都以碳氢化合物为原料，无法摆脱对化石燃料的依赖，所以这些制氢方法都称不上是一种有前途的制氢方法。（ 2）解水制氢法。在水中放进一点电解质如氢氧化钠、硫酸钾、硫酸，将其通电，电极上就能释放出氢气。使用电解水的方式制得氢气的纯度可达99.5 99.8%。2H2O =2H2 +O2电解法制取氢气虽然不依赖矿物燃料，但是耗电量很大，每生产 1kg 氢气需要消耗五、六十度电，成本较高。只有在电力供应富足、价格低下的情况下，电解水制氢才有可能成为人们普遍的制氢方法，为大规模生产氢燃料做出新贡献。（ 3）化工过程中产生的副产品氢气的回收，如氯碱工业、冶金工业

25、等。2NaCl+2H2O=Cl2 +2NaOH+2H（ 4） 热化学循环分解水制氢。该方法的原理为：在反应系统中加入中间物质，经历几个不同的反应阶段，最终将水分解为氢气和氧气，且中间物不消耗。这实质上是加热直接分解水的方法，不过并不是仅仅单纯依靠加热把氢、氧分开，而是通过化学药品（如二氧化硫、硫酸和硫酸铋）与水反应，分多步骤将水分解从而制得氢气，形成一个化学循环，所以又称为分步反应分解水制氢法。在热化学法制氢中，不同的化学反应有不同的化合物如硫、铋、氯、镍、钾、锂、钙、溴、汞、铁、碘、铜等的化合物作为中间反应物参加，反应温度大多为八、九百摄氏度，高的也仅有一千度。化学反应结束，化学药品的数量并

26、没有减少，可以回收循环使用，整个过程消耗的只是水，最终将水分解成氢气和氧气。现在， 研究者已提出了多种热化学分解水制氢的方案，并且正在积极找寻最佳的制氢方案。唯一的问题是，热化学法制氢仍旧离不开加热。如果能把这种方法同核反应堆紧密联系到一起，利用核反应堆的余热来提供反应所需要的能量，同时解决高温、腐蚀性、投资大等其余限制条件，那么就可以充分推广这种方式。（ 5） 光化学制氢法。它是在光照催化剂的作用下，促使水分解制得氢气的一种方法。目前已经有了功能强大的太阳能高温炉，其温度可达四千摄氏度，这样高的温度，用于直接加热分 解水或热化学循环法制取氢气都是可能的。2.3.2 氢能的应用利用氢气代替汽油

27、作为汽车发动机的燃料，已经经过美国、日本、德国等许多汽车公司的试验，技术是可行的。美、德、法等国采用氢化金属贮氢，而日本则采用液氢燃料组装的燃料电池汽车进行示范，已进行了上百万公里的道路运行试验，汽车的经济性、适应性和安全性均较好。 美国和加拿大计划还从加拿大西部到东部的大铁路上运行使用液氢和液氧为燃料的机车。美国政府宣布将投资17 亿美元把 “氢能” 作为新一代能源的重点发展对象。2006 年， 布什政府提出，在未来20 年内，美国人将开上氢燃料电池动力汽车，日本的丰田、本田等公司也在研究氢燃料汽车。中国长安汽车也在2007 年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火，并于 2008 年北京车

28、展上展出了自主研发的中国第一辆氢动力概念跑车“氢程”。图 2 氢动力汽车氢能是一种高效的燃料，每公斤的氢燃烧所产生的能量为33.6 千瓦时，几乎等于汽油燃烧的 2.8 倍。氢气不仅热值高，而且火焰传播速度迅速，点火能量低（容易点着），所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率高20%。氢气燃烧生成物是水，同时可能会伴有极少的氮氧化物，绝对不会产生汽油燃烧时产生的一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等对环境造成污染的有害成分。因此氢能汽车是最环保，最理想的交通工具。除了完全使用氢气替代汽油，现在人们也在积极探索其他的利用方式，例如掺氢。这种汽车的特点是燃用汽油和氢气的混合燃料，让混合气在稀薄的状态下工作，以

29、改善发动机的燃烧状况。在中国，许多城市交通拥挤，汽车发动机多数处于部分负荷下运行，采用掺氢燃烧方式的汽车将尤为有利。现在有许多工业余氢气未能回收利用，若将其适当地利用，其经济效益和环境效益都是良好的。第三章氢气的存储目前所有实际可用的随车储氢或制氢技术，包括高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢、浆液储氢以及车载汽油重整制氢装置、甲醇重整制氢装置和天然气重整装置等等。下面将详细介绍这些储氢技术的发展与利弊。3.1 高压气瓶储氢储氢是以氢的相图为基础的。下图3 为氢的简单相图图 3 氢的简单相图在室温和一个大气压下，储存4kg 气态氢气需要占据45m3 的容积。高压储氢通过提高氢气压力以达到减小体积

30、的目的。然而气体压力与容器重量呈正比，因此即使氢气被高压压缩，其能量密度仍然没有提高。现在高压储氢罐已经出现在一些汽车产品中。例如， 日本丰田公司推出的FCHV-BUS2 混合动力巴士，这款车型使用的就是高压储氢罐。高压储氢方式应用广泛、简便易行，具有制造安装成本低、充放氢气的速度快、常温下可操作等优点。但其缺点是需要大重量的耐压容器，并在压缩氢气过程中，能量消耗较大，能量密度通常比较低。3.2 液氢储氢液氢的制取是将纯氢冷却到零下253 摄氏度使之液化，然后装灌至“低温储罐”中存储。这一过程是通过多循环的绝热膨胀来达成的。像液化天然气一样, 液氢也可以作为一种氢的储存状态。但由于液氢沸点很低且气化潜热为0.45kJ/g , 因此 , 液氢的温度与外界的温度存在巨