氢能源的研究与应用

1、徐文汗2014.6.10氢，下一个能源主角21世纪人类正面临的两大危机：一是人为因素导致的气候变化，气温的升高将会呈现一个相当大的幅度。二是传统化石能源或核能源燃料被少数几个国家垄断的情况正不断加剧，这不利于大多数国家利用能源。人类经历柴薪时代、煤炭时代、石油时代、天然气时代后，能源将会进入氢能时代。现在，氢作为能源载体已经受到世界各国科学家、工程师、投资家和政府部门等多方的高度关注。化石燃料存在的问题：温室效应（土地沙漠化、农业减产、物种变迁、疾病流行、冰川融化、海平面上升、气候变化、洪水、地震、海啸以及“厄尔尼诺”现象。）含硫磺，燃烧产生二氧化硫、三氧化硫等硫氧化物，与雨水结合形成“酸雨”

2、。一氧化碳、过氧硝酸乙酰酯（俗名为PAN）、苯并芘、烟雾之类有毒物质。开采带来的问题：河流污染、地面塌陷、环境地质问题、地面变形、诱发地震、岩溶塌陷等等。氢，清洁可再生（二次能源）；产物低碳（零碳）氢能的特点大约250年前人们就发现了氢；约150年前，氢获得工业应用。重量最轻；导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍；存在普遍；可回收利用；拥有理想的发热值：（除核燃料外最高）；燃烧性能好：点燃快，可燃范围广；无毒，产物为水无腐蚀性，对设备无损。利用形式多；多种形态：耗损少；利用率高；运输方便；减少温室效应如何获取氢常用方法：化石燃料生产法和水电解法1、以煤为原料制氢。本质是以碳取代水中的氢

3、，最终生成氢气和二氧化碳。煤的焦化煤的气化2、天然气制氢。本质是以甲烷中的碳取代水中的氢，碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热。氢大部分来自于水，小部分来自天然气本身。3、重油部分氧化制造氢气。碳氢化合物与氧气、水蒸气反应生成氢气和二氧化碳；氢主要来自水蒸气。太阳能-氢系统太阳能制氢分为直接制氢和间接制氢：直接制氢 分为热分解法（3000C） 光分解法：光催化法和光电解法间接制氢法 太阳能发电+电解水制氢 （太阳能发电包括热发电和太阳电池发电两种）氢的存储http:/ 计划2015年实现燃料电池商业化欧盟欧盟 在20022006年欧盟第六个框架研究计划中，对氢能和燃料电池研究的投资为2500万

4、3000万欧元。北欧五国成立了“北欧能源研究机构”，通过生物制氢系统分析，提高生产生物氢能力。欧盟将力争在2020年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。日本日本 研究氢能比较早，目前燃料电池是日本氢能的主要发展方向。日本政府为促进氢能实用化和普及，进一步完善了汽车燃料供给制，全国各地建造了不少“加氢站”，近百辆燃料电池车已经取得牌照上路，计划到2030年，发展到1500万辆。迄今，日本燃料电池的技术开发以及氢的制造、运输、储藏技术已基本成熟。印度印度研制成功一种通过金属氢化物驱动的清洁摩托车，虽然现在使用成本较高，但从长远来看它还是一种非常经济的交通工具。此外，以氢能为燃料的烹饪炉、发电机组

5、和氢照明灯等的研究也取得显著进展。应用于汽车的氢燃料氢燃料氢气的常规利用方式主要是两种：一种是通过电化学电化学方法，利用 “燃料电池”将氢的化学能变为电能和热能；另一种方式是通过热化学热化学方式，即燃烧氢，将化学能变成热能或动能。例如，用“内燃机”将氢能变成动能。氢燃料电池燃料电池被认为具有较高的能量转化效率和功率密度，而且氢氧燃料电池还具有环保无污染的特点。工作工作原理：原理：电池电池结构：结构：将阳极、质子交换膜与阴极结合层的三明治结构的单一组件成为膜电极膜电极集合体集合体MEA(Membrane Electrode Assembly)。优势：优势：从理论上来讲,只要连续供给燃料，燃料电池

6、便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。环境污染小能量转换效率高，发电热效率可达65%85%氢燃料电池在3090下运行，启动时间很短，020内即可达到满负荷工作，寿命可以达到10年噪音低负荷调节灵活，无振动，可靠性高问题：问题：氢的储存和运送；成本高氢燃料内燃机汽车氢代替汽油、柴油，改装氢气发动机的发明可以上溯到1807年，瑞士人依撒克代李瓦茨制成单缸氢气发动机，由于受当时的技术限制,被后起的蒸汽机、煤气机及汽油机所淹没了（1886第一辆汽车）现代氢气发动机的研制始于70年代。（宝马公司）需要解决的问题：发动机从供氢、氢的着火到燃烧工作过程的组织设计；汽车储氢和携带技术

7、；氢的生产、储存和输配技术。氢做内燃机燃料的特性：氢做内燃机燃料的特性：着火温度高，火焰传播速度快，有利于H2与空气的快速混合和燃烧，热效率高。点火能量小，着火范围广，虽有利于发动机在部分负荷下工作，但却容易使发动机早燃、回火或敲缸H2热值高，燃料装载质量可比汽油大大减轻。但H2的分子量很小，液体密度低，约为汽油的1/10。因此，相同的油箱容积装载液H2时，其可储蓄的能量只有汽油的1/3左右。（何况气氢）按混合气形成方式的两种分类外部形成混合气外部形成混合气：初期一般采用，无需较多改造；通过化油器输送燃料，但容易产生早燃和回火等不正常燃烧现象。为此采用进气歧管喷氢和进气口喷氢技术来解决早燃和回

8、火问题。可以抑制非正常燃烧的产生，但是这种自然吸气外部形成混合气方式使发动机的功率密度功率密度较低较低，不能产生较高的输出功率，因此缸内直接喷氢缸内直接喷氢成为目前的研究热点。1、“早燃”是指火花塞点火以前，氢气混合气已被一些热点点燃，开始燃烧。（热点）2、“回火”，就是在进气过程中，进气门尚未关闭，混合气未经火花塞点燃而被热点引燃，火焰传播到进气管内的一种不正常现象。3、“爆燃”则是内于氢的滞燃期短，燃烧过早结束，飞轮因克服不了压缩功，会造成突然停车。缸内直喷氢：缸内直喷氢：可避免回火，较高的输出功率，改善热效率。根据喷射压力的不同可以分为低压喷射：是在进气阀关闭后低压喷入氢的方式（1MPa

9、）对喷射系统要求不高，可避免回火，但燃料喷射较早，易发生早燃，因此不能采用较高的压缩比。高压喷射（8110MPa）：在上止点前410将燃料喷入，压缩比较高，在1218之间,因此为了防止早燃与燃烧粗暴。点火时刻只比喷氢时刻迟后1左右。输出功率的提高十分明显，比外部形成混合气方式提高40%，比使用相同气缸的汽油机的功率高20%。电子燃油喷射电子燃油喷射各参数对氢发动机缸内主要状态参数的影响 “各参数各参数”包括：包括：初始温度初始压力氢发动机转速点火提前角当量比初始温度初始温度的逐渐升高对氢发动机燃烧过程中缸内状缸内状态参数态参数所造成的影响(转速为 1100 r/min，当量比为 0.5，初始压

10、力110000Pa） 初始压力初始压力的逐渐升高对氢发动机燃烧过程中缸内状态参数所造成的影响（1100r/min，当量比0.5，初始温度为415K，压力从110000Pa调整变化至130000Pa） 转速转速对氢发动机缸内压力和温度的影响（当量比1）缸内状态参数受点火提前角点火提前角的影响分析（当量比0.7）缸内状态参数受当量比当量比的影响分析（ 24CA BTDC ）综合以上对初始温度、初始压力、转速、点火提前角和当量比对氢发动机缸内压力和温度状态参数影响的分析可以得出，点火提前角点火提前角和当量比当量比的变化对缸内压力和温度的变化影响更大。状态参数与早燃的关系状态参数与早燃的关系氢发动机早燃发生条件早燃严重程度判别公式早燃发生范围的确定（发动机转速 1100r/min 条件下，点火提前角在压缩上止点前24CA至14CA,当量比在 0.5至1.2的范围内）早燃对缸内状态参数的影响（早燃/正常 仿真实验图）早燃对缸内速度场的影响早燃对缸内速度场的影响早早燃对氮氧化物排放的影响燃对氮氧化物排放的影响总结：调整点火提前角、当量比等参数，会引起缸内温度、压力状态参数的改变，而温度、压力的变化与氢发动机的异常燃烧现象关系密切。因此可从选取合理的点火提前角