电解水氢气能源燃气发动机创新专利可行性研究报告

电解水氢气能源燃气发动机创新专利可行性研究报告 作者：张发恩 以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机创新专利可行性研究合作报告 一、 概述技术背景 目前所有使用的机动车，船有少部分使用石油液化气或氢气作燃料，大部分都采用汽油 .柴油作燃料。随着车辆发展使用的普及和地球石油资源的减少，依靠石油化工产品汽油 .柴油。大规模使用化石燃料出现了资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争；以及人们对环境保护意识的强化认识。因此，必须寻求一种新的、清 洁、安全、可靠的可持续能源系统。 石油液化气作能源的内燃机将急需寻找替代产品。而且以氢气作能源的内燃机目前是依靠工厂集中制取氢气，经 150 350 个大气压压缩温度为 -253冷冻成液态装罐使用，且冷藏罐的保温非常复杂， 象加油站一样普及建设加氢站成本过于高昂，极大的遏制了氢气发动机的普及。近来，氢气发动机汽车的热度明显上升，它既是清洁能源应用的一个好契机，同时人们看好的是，和燃料电池电动汽车，使用氢气有着同根同源的关系，在氢能源社会建设工程方面，是一个非常合适的过渡，从而分别于汽车进入一个新能源的汽车时 代。 氢气发动机的应用 BMW 算是开路先锋。 BMW 的 750HL， 5 升汽缸发动机轿车上，开发出汽油和氢气需用发动机轿车，这属于第 5 代的产品。 BMW 在 2000 年汉诺威世博会上，有 15 辆 750hL轿车作交通等，令人耳目一新。这证明：氢汽发动机汽车从原理上实用是可行的，液态氢的燃料可以在汽车上应用；即使使用双燃料的油箱，也不会影响到汽车的正常应用，开起来一样方便；在汽车制造方面的进一步改进，对氢气发动机的批量应用，前景非常的好。 当前， 750HL发动机在使用汽油和氢汽时，性能上有差距，当排当在 5379cm3V12 发动机，燃用汽油时，功率为 240KW，加速 100Km/h，只需 6.8 秒，最高车速 250Km/h；而燃用氢气时，功率为 150KW，加速时间 9.6 秒，最高车速 226Km/h，百十里耗氢气 40L，一次充气 140L，可行驶 350Km。当前 BMW对下一代氢气发动机的效率和比功率正在继续的挖潜工作中。 目前，氢的储存方法，最简单的是使用高压氢气瓶，但体积太大，能在大客车上应用，而更先进的办法是应用含太合金板制成的储氢箱，用以储存液态氢。 BMW 研制一种较实用的储氢箱，强度很高，结构很像保温瓶，箱体由两层隔热板制成 ，中间抽点空，并常有防撞装置和高受热时，少量的自动排出装置，而最先进的储氢是一种利用纳米碳素纤维求储存氢气，正在加速研制中。现有的氢气发动机的氢气来源是采用的是以市电供电以电解水产生氢气和桶状结构电解池，无法满足内燃机移动的需要 二、 技术可行性分析 1、 关键技术及创新点，关键技术的开发和效果论述。 （ 1）氢燃料特点 氢，是宇宙间含量最丰富的元素，它的原子核就是一个质子，外面环绕着一个电子。两个氢原子与一个氧原子结合，构成生命所必须的物质 -水。爆炸极限 4% 74%，最大爆炸压力 740kPa，产生最大爆炸压力浓度 32.3%，最小引燃能量 0.019mJ。除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为 142， 351kJ/kg，是汽油发热值的 2.8 倍。以氢气作能源的关键技术在于如何破坏水分子的化学键而大量析出水中的氢气和氧气；而现在发明的通过离子交换剂进行离子交换破坏水分子的化学键，使电解水产生的氢气直接做能源的技术变成了实际可行；其经济效益和社会效益非常显著。 （ 2）结构特征与技术亮点 以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机上根据总体功率要求附加一个配套发电机，所 发出的电流经整流控制器控制分配到氢气发生器的电极和对启动电瓶进行充电；氢气发生器用自然水为原料，加入适量氢氧化钾或是氢氧化钠以增强导电效率，氢氧化钾不会消耗，只需要补充水就可以长期使用。水溶液在直流电的作用下，通过离子交换剂进行离子交换破坏水分子的化学键而析出水中的氢气和氧气； 化学方程式： 阴极 4 H2O+4 e = 4 OH+2H2 阳极 4 OH - 4 e = 2 H2O+O2 经储存罐缓冲和再次水气分离后，供给内燃发动机汽缸做功；使内燃机脱离对石油化工产品的依赖。本实用新型发明结构 简单，在现有车船上改装容易，无环境污染。氧气还可以接给驾驶员补充氧气。 （ 3）氢气发动机的特点是适当调整进气混合比和点火延迟角，当活塞从上止点下行到其行程中点时使火花塞点火利用氢氧最大爆炸力作功行至下止点，氢 4-32.3%低占比混和气体爆炸特性作功，爆炸的膨胀速度威力不但远远超于传统燃烧方式，而且氢气燃料（成本）消耗少。当爆炸的膨胀峰值最高时曲轴的结构力矩也是最大的，发动机运转扭矩大，动力强劲。而且只排放微量的水气，对大气层没有任何的污染，是真正的环保绿色动力能源。 2项目技术指标与国内外同类技术 全面综合对比情况。 1、现在的氢气汽车，目前是在 350 公斤 /平方厘米的压力条件下，用容积 140 升的储氢罐储存 2 公斤多的氢气，结构很像保温瓶，箱体由两层隔热板制成，中间抽点空，并装有防撞装置，一次加氢可行驶350 公里。 (参考 BMW 公司 /viewthread.php?tid=7297)但建设加氢站成本过于高昂，且冷藏罐的保温非常不便。（液氢温度为 -253）加氢站建设可参考（美国加洲加气站 /cache.aspx?q=4957002055174&lang=zh-CN ） 2、（氢）燃料成本更经济可观 根据调查目前轿车百公里经济耗石油液化气 7 升，按气体摩尔体积的膨胀与燃烧温度有关。 V=（ V1-V2）（ 1+273+dt） /273所以理论上轿车百公里耗氢气 144.66 升，折换耗水大约 80 毫升，以轿车动力 120马力计，制造这些氢气需要电量为 520*2 大约为 1.4 马力。用发动机附带的发电机足以供给。 根据调查目前轿车百公里按耗油 10 升，按标准油气混合比为 1： 15 折合得 160 升混合气，而一升水理论上可以分解出 1234 升氢气和 622 升氧气，共计 1856 升具有最佳燃烧比的标准混合气，经测量一升水实际可以分解出 980 升氢气和 490 升的氧气。 980+490=1470/160 可供行驶 900多公里。 3关键技术的开发和技术依托 目前，已经向国家知识产权局申报了“以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机”专利并经审核得到了通过，于 2006年 12月 14 日得到正式受理，颁发了专利号 20000620022600.9 ；现阶段已经完成了关键部件氢器气发生器的研制工作，现制成的氢气发生器电源功率为 600W，（小于现有汽车发电 机的功率 1000W）氢气产气量 150 升 /每小时，可满足一般小车的燃用需求。 流程结构示意图 三、 市场需求 1国内市场状况及产品的发展前景，在国内市场的竞争能力和市场占有率。 以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机在目前尚属空白，在全区乃至于全国属于首家，不仅可以缓解石油紧张，还减少废气的排放，是真正的环保绿色动力能源。且已经申请专利保护（专利号20000620022600.9），没有竞争对手。 2国际市场状况及产品的发展前途，在国际市场的竞争能力。 能源是人类社会存在与发展的物 质基础。然而，大规模使用化石燃料出现了资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。以及人们对环境保护意识的强化认识，因此，必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。 以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机在目前尚属空白，且已经申请专利保护，没有竞争对手。 四、 经济效益和社会效益分析 1项目产品的生产成本、销售收入估算。 以每套生产成本 3000 元计算（直接材料成本 2000 元，人工费加改装费 1000 元），销售收入 9800 元 /每套，小规模可年产 500 套 2000 套。年利润 3400000 元 13600000 元 2分析结论 我国交通发达，机动车辆较多，且全球性资源紧张，以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机在目前尚属空白；销售市场巨大 ；该项目经济效益较好，抗风险能力较强，是一项低投入高产出的项目；能为城乡提供多个就业机会，能培育新的经济增长点，有效推动我国的经济发展 ； 经过客观与务实的简要分析后，证明此项目的运作是可行的，在领导的重视和技术人员的共同努力下，为项目的顺利实施提供强有力的保障，能确保项目成功实施和取得显著效 益 .并有可能带来更大经济效益。 3社会效益分析。 以小轿车为例，其用汽油的单台燃料消耗量及一年燃油使用成本如下：（注：汽油单价以 5.0 元 /公升，以每天 70 公里一个月行驶 2000 公里一年 24000 公里计算，油耗以 7升 /百公里计算） 小轿车用汽油 24000*0.07*5=8400 元 小轿车用电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机的使用成本如下： 消耗自然水 27 升，价值 27 元（以蒸馏水计算，如用冷开水代替还不到此价格），消耗（定期清洗的损耗） NaOH大约 2 公斤价值 4 元，设备折旧费 1000 元， （以正常使用 10 年折算）共计 1031元。 小轿车用电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机的使用成本 1031 元减去小轿车用汽油的使用成本8400 元，节约费用 7369 元 以一个地区汽车 10 万辆计，每年可以节约燃油费用 73690 万元，而且没有任何的污染，还可节约环保治理费用若干，是真正的环保绿色动力能源。 以出租车每天跑 400 公里，耗油 30 升计，出租车每年跑 300 天 120000 公里，耗油 9000 升价值9000*5=45000 元； 如用电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机的使用成本则只消耗自然水 134 升，价值 134 元（以蒸馏水计算，如用冷开水代替还不到此价格），消耗（定期清洗的损耗） NaOH大约 8 公斤价值 16 元，设备折旧费 2000 元，合计 2150 元；每年可节约资金 45000 元 -2150元 =42850 元。 以一个地区出租车 2 万辆计，每年可以节约燃油费用 85700 万元，而且没有任何的污染，还可节约环保治理费用，是真正的环保绿色动力能源。 五、 项目实现目标 经上级批准立项后，在双方的共同努力下，各有关部门协同作战，按实施方案有计划的负责组织实施，争取第二年建成投产，年产氢气发生器及配件 500 套，次年达到产量 10000 套，以后逐步稳定增加产量，达到全部合格产品上车，能正常上路行驶。以“ 氢气代替燃油、实现无污染排放 ” 为最大特点 ；以“绿色动力”造福全人类为最高目标。 六、 合作伙伴 目前，该项目已经向国家知识产权局申报了“以电解水产生的氢气直接做能源的燃气发动机”专利并经审核得到了通过，于 2006年 12月 14 日得到正式受理，颁发了专利号 20000620022600.9 ；现阶段已经完成了关键部件氢器气发生器的研制工作，现制成的氢气发生器电源功率为 600W，（小于现有汽车发电机 1000W 的功率）氢气产气量 150 升 /每小时，可满足一般小车的燃用需求。为了尽快的实现该项目的完全转化，向各有识之士寻求合作，共谋发展。 （ 1） 资金合作，有足够的资金实力，能为样机的改装所需材料、设备、配件提供足够的资金支持和为批量生产提供足够的资金。在返还本金并享有同期银行存款利息的情况下还有权利享有该专利项目的同等条件优先地域独家实施许可权。或选择占有该项目总投资额 5%的股份；一个或多个投资人的按资认股，可按股分红。 （ 2） 场地合作，有一定的场地规模，能为样机的改装所需提供场地，包含改装所需的有关机械、 人员，并负责今后的车辆改装工作。车辆改装工时费用双方再行协商。 （ 3） 生产合作，有一定的生产场地和机床设备，能批量生产组装改装所需设备、配件，负责今后的批量生产工作。 （ 4） 市场营销合作，有一定的社会关系和市场营销策划经验，负责进行市场营销和策划工作。 以上各方有识之士，本着“对等公平，险利均担，平等占股”的原则，按各自实际投入和协议标准享受相应的经济利益。各方所担风险与所得利益比例相等。 附 :合作规则 专利技术合作规则 合作原则 专利权人张发恩拥有（一种以电解水产生的氢气直接做 能源的燃气发动机）专利，该专利号为（ 200620022600.9），可拿技术向投资方入股，也可办合作企业，一个或多个投资人按资认股，按股分红。各方所担风险与所得利益比例相等。合作各方必须本着“对等公平，险利均担，平等占股”的原则，实行全新的经济技术相匹配的制度，专利权人本着谁投资谁受益的原则，与专利权人合作可分为以下几种； 一、是经济技术合作生产经营；合作双方按各自实际投入和协议标准享受相应的经济利益。其中又分为； 1、专利权人只出技术（专利资料、授权书），而不参与任何生产经营活动 ,接产方按规模要求 一次性投入足够的自有资金的，则实行投资方占总股份 70%控股 ,专利权人占总股份 30%,即“正三七开”。 2、若专利权人出技术，接产方不能按规模要求一次性投入足够的自有资金的 ,或只能投入启动资金，启动后还必需靠专利权人的项目去筹资、融资、引资、借贷他方资金的，则实行“倒三七开”，即投资方占总股 35%或以下（视数额确定），由专利权人控股占 40%或以上 .其他部份可留给其它投资人。 3、若专利权人又不但出技术授权，还参与生产或经营的，则对半分成。即专利权人 50%或以上，其它为资金股。 4、专利权人出技术，合作方 并无自有资金，而只是作为引资人（公司）的，资金不能算是引资人（公司）的。引资人只能计酬金，必要时功劳较大的可从资金股中赠股 5%至 10%，但若资金的还款、付息、均在分配以后进行，则可以不计较资金性质和来源，但按公司法规定，贷款不得作为股金，故引资方加接产方只能占股份 10%以上 30%以下。 5、双方合作中；所投入的资金是指资方自有资金，技术是指专利权人自已的技术。非此不得享受上述股份条件。 6、一般情况下，专利权人可参与组建合作企业，此合作公司交由投资人经营管理，专利权人作技术参股。投资人可以是一个或多个， 投设定股份认购。 7、投资人只投入资金不参