氢气发动机的发展和现状

课程结业论文题目：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学期目录第一章绪论……………………………………………………………………………………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1氢气发动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RudolphErren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；马自达公司推出了第一款氢动力概念车HR-X，金属氢化物储氢罐储氢，现代汽车新技术概论2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。现代汽车新技术概论3图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，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、压缩机等。现代汽车新技术概论4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。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。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现代汽车新技术概论5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，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