新能源汽车发展-氢动力时代

课程名称：__汽车原理_________课程编号：_____07600121x_________学生姓名：_____王__________学号：______A071________年级：_____工业工程1202______成绩：__________________教师签字：__________________新能源汽车发展————氢动力时代摘要：氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车，用氢作燃料干净卫生，不污染环境，且发热量高。氢能源有诸多其他燃料无法比拟的优点，但也有许多至今还无法克服的技术瓶颈导致其未能大范围推广和应用。在全球都开始重视氢能源研究的大环境下，中国要抓住机遇，迎接挑战，才能在在能源紧缺、交通能源动力系统面临转型的重要时刻，在国际竞争中立于不败之地。

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氢能源；燃料电池；技术特点；环保；发展方向随着中国经济的快速发展与人民生活水平的逐步提升，汽车进入中国普通百姓家庭已是不可改变的事实与趋势，中国人也一样要享受快速便捷的现代汽车文明，而且，汽车及相关产业的发展将成为中国的重要经济支柱之一。到2020年，预计15％的全球人口拥有汽车，那将会有11亿辆汽车上路，排起来足够绕地球125圈，能源、环保、全球变暖的压力都将不堪重负。寻找环保新能源，成了全球汽车业“生存还是毁灭”的当务之急。“三步走”，是近年全球汽车业对于传统的电动车研发走进死胡同之后，在汽车能源革命方面逐步统一的共识——近期：推广柴油、天然气、乙醇等清洁能源；中期：油电混合动力；远期：氢动力。氢在地球上不但有巨大蕴藏量，可以通过阳光、水能、风力、植物提取，而且作为汽车的新能源，排放污染几乎为零。因此氢动力将替代汽油成为未来汽车的主要能源。

一、氢能源汽车的技术特点

氢气燃料汽车，即以氢气为能源的汽车，氢气发动机属点燃式发动机，可以有汽油机或柴油机改制。通常的氢气使用方法有压缩氢气汽车、液化氢气汽车和吸附氢气汽车三种。氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机，通常注入柴油或汽油，氢汽车则改为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池

氢能源动力汽车的原理是把氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到正极，成为电能驱动电动机；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为纯净的水雾排出。这样有效减少了其他燃油的汽车造成的空气污染问题，高速车辆、巴士、潜水艇和火箭已经在不同形式使用氢。另一方面能源从来都是个问题，近年来，国际上以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破，而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。

在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。二、氢能源的优点

氢在常温常压下是无色、无味、无毒的气体。氢可以燃烧，产生热量。氢气的来源主要是从水中通过裂解制取。虽然氢气本身的天然储量不大，但作为氢的来源水资源却十分丰富，而且氢燃烧后生成物质还是水，能形成资源的快速循环。氢能源的优点有1、干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，

2、其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

3、氢能汽车行车路远，使用的寿命长。

4、氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装。

正是由于以上几个相对于石油燃料比较显著的优点，因此氢能汽车在现代汽车产业中具有广阔的应用前景。三、氢能源汽车的主要研究方向氢气燃料汽车，目前主要应用的技术途径有两个：一是内燃机汽车改用氢气燃料；二是氢气燃料电池电动车，这依赖于燃料电池技术的发展

。（一）内燃机用氢气燃料

氢气发动机属点燃式发动机，可以由汽油机改制，也可以有柴油机改制。由汽油机改制要考虑喷氢器的安装，由柴油机改制则要考虑加装点火系统等问题。常用的氢气使用方法有压缩清漆汽车、液化氢气汽车和吸附氢气汽车三种。

压缩氢汽车：压缩氢汽车是指以高压气态携带氢的氢燃料汽车，氢气一20-25MPa的压力储存于高压容器中。工作时经降压、计量和混合后进入汽缸，也可以直接喷入汽缸。由于燃料箱尺寸的问题，难以运用于汽车上。

液化氢汽车：液化氢汽车是指以液态携带氢的氢燃料汽车，工作时液态氢经升温、降压和计量，然后直接喷入汽缸，或在机外混合后进入汽缸。一般是直接喷入汽缸。但由于氢气要在非常低温条件下（-253摄氏度）才可液化成液化氢。因此液态容器必须耐超低温，材料要求很高，管道及阀门要求有极高的绝热能力及耐低温能力，而且各街头处还必须非常密封。因此也有一定的难度。

吸附氢汽车：吸附氢汽车是指以金属氢化物或纳米管携带氢的氢燃料汽车，工作时，储存于金属氢化物或碳纳米管中的氢释放出来直接喷入汽缸，或在机外与空气混合后进入汽缸。（二）

氢燃料电池电动车

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的高效率发电装臵。目前大多数燃料电池汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。

氢燃料电池装臵从本质上说是水电解的一个逆装臵。是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能的过程。与使用传统能源的汽车相比，用氢气做发动机燃料的汽车具有明显的优越性：洁净无污染，能源转化率高（40%以上），噪声低，续驶里程可与汽油车相当。同时，氢气来源广泛。对于汽油发动机只需稍加改造，就可燃烧氢气。所以有人认为未来的燃料是氢气，氢气燃料汽车是将来最有希望的交通工具。氢气汽车还处于研究探索阶段。四、世界主要汽车公司氢能源发展动态（一）通用汽车公司：

自1964年建立第一个燃料电池实验室以来，至今已斥资10亿多美元用于新能源汽车的研究开发。通用汽车公司对外宣称：计划在2010年实现氢燃料电池车Hywire批量生产，并希望成为第一家售出100万辆氢燃料电池汽车的汽车制造商。近年来主要成果有：Hywire线传控燃料电池车、“氢动三号”（HydroGen3）燃料电池车、Sequel氢燃料电池车。这些都全面展示通用汽车在推广节能和环保汽车技术领域的成就（二）福特汽车公司：

福特Focus

FCV

是一款燃料电池概念车。而专门为批量生产而设计的福特U型车，其动力来自于世界第一台增压氢动力内燃机，再配以混合电动变速器，U型车开创了福特汽车公司继T型车后的第二个新纪元，也展示了未来汽车的发展潮流。

（三）丰田汽车公司：

其目标是“在全世界范围深入普及混合动力汽车”，它被看成环保汽车技术领导者，在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在世界的前列。该公司已经开发出由氢气和电力驱动的第五代燃料电池车“FCHV-5”，并向美国加州燃料电池合作组织提供样车进行实车道路试验。

（四）日产汽车公司：

日产汽车公司从1996年就开始研发燃料电池，2002年12月推出了一款X-TRAIL燃料电池车，它以大排量、高油耗的奇骏SUV作为改装对象

（五）宝马汽车公司：

宝马汽车公司旗下的BMW品牌也隆重推出了其在氢动力方面的杰出代表--H2R氢能试验赛车“车速世界纪录氢燃料赛车”。2004年9月，H2R氢能试验赛车在一天之内连续创造了9项世界纪录，以令人印象深刻的方式证明了燃料电池发动机汽车的惊人潜力，同时也表明BMW集团对氢燃料完全取代传统燃料这一全球汽车工业发展方向的坚定信念。同时，宝马公司计划在2005年大规模生产氢燃料，为此已投入10亿欧元，并且将继续追加10亿欧元。

（六）大众汽车公司：

大众的途安HyMotion，使用氢燃料电池，已经可以实现量产。其最大行驶距离为160km。五、氢动力推广难题（一）环保问题

一般人认为，以氢燃料为动力的汽车只会产生水，事实也的确是这样，那为什么说氢燃料汽车并不环保呢？环球能源网认为，我们必须从其生产原料上来分析，由于技术水平并不先进，以及考虑到成本等的问题，世界上很多国家的氢燃料的生产并不是以水为原料，而是以天然气作为生产原料，先前讲到了，如果要电解水取得氢气，那需要很大的能量消耗，而且要生产出能量值与普通汽油燃料相当的氢燃料，我们就需要大量的水资源，水同样也是我们这个星球稀缺的资源，因为我们这里讲到的水是淡水，而不是海水。而天然气的贮存方式相对成熟得多，而且我们可以用并不算多的天然气生产出能量值与普通汽油燃料相当氢燃料。因此，作为氢燃料生产商来说，为了降低生产成本，他们宁愿选择天然气。问题就出在这里，天然气也属于化石能源的范畴，那么使用它就必定会产生大量的二氧化碳，从这个层面上来讲，我们的氢能汽车并不环保。（二）经济成本问题

如今我们很多的加油站都是以提供化石燃料为主，而没有单独提供氢能燃料的场所，如果我们要利用起的加油站，那么就必须修建大量的输送管道，而且这样做的前提是，氢能汽车的数量一定要达到一个合适的规模，数量过少的话，那修建输送管道的成本就显得有点高了。而如今，我们只能从一些新能源展会上才能看到氢燃料电池汽车的身影，大街上主要行驶的还是普通汽油驱动的汽车，即便是在巴西这样的新能源汽车大国，其80%以上的汽车使用的也是乙醇，而非氢燃料电池。因此在可以预见的将来，我们还很难将氢燃料电池汽车推广出去，至少在工艺上我们还不过关。（三）节能降耗问题

我们研究氢能源，最根本的就是要解决能源匮乏的大问题，但是如果为了获得氢能源要以消耗更多的其他能量为代价，未免有些得不偿失，舍本逐末。一般情况下，我们要获得氢，都会从水里分解出来，这就需要用到电，需要将交流电转化成直流电，这过程将使得氢分子中的能连损失2%-3%，接下来我们开始电解水，在此过程中能效只能达到70%，其余30%的能量被消耗掉。经过上述两个过程，我们获得了氢气，但是由于是气体，因此其体积非常大，这个就需要我们用10000磅/平方英寸的大气压强对氢气进行压缩处理，这个过程又将耗能15%，即便是经过了这一系列处理，同等质量的氢燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有，并且要贮存这些氢燃料需要很大的存储设备。此外，为了保持氢燃料电池的稳定，我们还要将温度控制在零下253度，这一过程再次耗能30%-40%。在运输过程中，由于我们很难保持零下253度的恒温，因此我们还将损失10%的能量，而在氢燃料被注入汽车前，我们又损失了大约50%的能量，最终我们还将损失10%的能量，因为氢能汽车的能效只有90%。综合上述所有的过程，我们要驱动一辆氢能汽车的能耗高达80%！（四）技术瓶颈

为了解决推广氢能汽车过程中遇到的问题，我们首先需要解决三个技术问题：

4.1大量制取廉价氢气的方法。传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；

4.2解决氢气的安全储运问题。

4.3解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。目前常见的供给系统有三种，气管定时喷射式、低压缸内喷射式和高压缸内喷射式。随着储氢材料的研究进展，可以为氢能汽车开辟全新的途径。而最近，科学家们研制的高效率氢燃料电池，更减小了氢气损失和热量散失。六、关于氢能源汽车发展的几点建议

1、推出加氢加油站，为普通汽车提供加油服务，并为燃料电池车加氢。

加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别，加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大，由氢气分离厂和加气台两部分组成。氢气分离厂内设有氢气分离罐，工程人员向罐内输入水，在电力的作用下，水便分离成氢气和氧气。分离出的氧气通过管道向空中释放，同时将氢气收集在密封压力罐内加压、储存，再通过高压管道为氢汽车加氢。

氢是易燃物，所以人们首先会想到加氢站和氢汽车的安全性。但是只要科研人员成功地解决了管道压力问题，顾客加氢时绝对安全。

1、

车载氢氧机

车载氢氧机是利用汽车上蓄电池的电力对水进行电解，所产生的氢氧混合气由进风口被吸入汽车内燃机中，和传统的汽油、柴油或是天然气混合燃烧。氢氧混合气只有加入5%左右，即可达到降低燃油消耗10%~40%,同时减少50%的污染排放。车载氢氧机虽没有完全替代传统燃料，但能达到节能减排，也是一个不错的选择，毕竟这种方案投资少，见效快，更容易被消费者所接受。

当前全球性金融危机和能源危机对中国汽车企业来说既是挑战，也是机遇。如果能抓住机会，重视建设汽车动力主流产品节油核心技术的研发和自主创新能力，将会一举改变中国汽车企业长期依赖外国公司、在核心技术方面被外国公司控制的状况，将能以技术先进的汽车在世界主流汽车产品市场上与外国公司竞争。

在能源紧缺、交通能源动力系统面临转型的重要时刻，氢能源动力技术的发展对中国的未来尤其重要。希望这些探讨能有助于中国能源和技术发展政策的制定。燃料电池作为一种高效零污染电化学能量转换装臵，被认为是汽车动力电气化核心部件的理想选择；氢能燃料电池作为新一代汽车能源动力系统的转型目标被全球所看好。人类通过持续不断的努力。最终实现能源动力系统的根本转型。实现向氢经济过度。仍将是一个比较漫长的过程。根据国内外研究，预计燃料电池轿车的大规模商业化大约在2020年左右，最终的氢能经济会在2040-2050年之间实现。从而进入氢动力时代。

[参考文献][1]《汽车发动机构造与维修》吕秋霞.人民交通出版社.2007.09

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