新能源汽車(chē)發(fā)展-氫動(dòng)力時(shí)代

課程名稱(chēng)：__汽車(chē)原理_________課程編號(hào)：_____07600121x_________學(xué)生姓名：_____王__________學(xué)號(hào)：______A071________年級(jí)：_____工業(yè)工程1202______成績(jī)：__________________教師簽字：__________________新能源汽車(chē)發(fā)展————?dú)鋭?dòng)力時(shí)代摘要：氫能汽車(chē)是以氫為主要能量作為移動(dòng)的汽車(chē)，用氫作燃料干凈衛(wèi)生，不污染環(huán)境，且發(fā)熱量高。氫能源有諸多其他燃料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也有許多至今還無(wú)法克服的技術(shù)瓶頸導(dǎo)致其未能大范圍推廣和應(yīng)用。在全球都開(kāi)始重視氫能源研究的大環(huán)境下，中國(guó)要抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，才能在在能源緊缺、交通能源動(dòng)力系統(tǒng)面臨轉(zhuǎn)型的重要時(shí)刻，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

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鍵

詞：

氫能源；燃料電池；技術(shù)特點(diǎn)；環(huán)保；發(fā)展方向隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人民生活水平的逐步提升，汽車(chē)進(jìn)入中國(guó)普通百姓家庭已是不可改變的事實(shí)與趨勢(shì)，中國(guó)人也一樣要享受快速便捷的現(xiàn)代汽車(chē)文明，而且，汽車(chē)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成為中國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)支柱之一。到2020年，預(yù)計(jì)15％的全球人口擁有汽車(chē)，那將會(huì)有11億輛汽車(chē)上路，排起來(lái)足夠繞地球125圈，能源、環(huán)保、全球變暖的壓力都將不堪重負(fù)。尋找環(huán)保新能源，成了全球汽車(chē)業(yè)“生存還是毀滅”的當(dāng)務(wù)之急?！叭阶摺?，是近年全球汽車(chē)業(yè)對(duì)于傳統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)研發(fā)走進(jìn)死胡同之后，在汽車(chē)能源革命方面逐步統(tǒng)一的共識(shí)——近期：推廣柴油、天然氣、乙醇等清潔能源；中期：油電混合動(dòng)力；遠(yuǎn)期：氫動(dòng)力。氫在地球上不但有巨大蘊(yùn)藏量，可以通過(guò)陽(yáng)光、水能、風(fēng)力、植物提取，而且作為汽車(chē)的新能源，排放污染幾乎為零。因此氫動(dòng)力將替代汽油成為未來(lái)汽車(chē)的主要能源。

一、氫能源汽車(chē)的技術(shù)特點(diǎn)

氫氣燃料汽車(chē)，即以氫氣為能源的汽車(chē)，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)屬點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，可以有汽油機(jī)或柴油機(jī)改制。通常的氫氣使用方法有壓縮氫氣汽車(chē)、液化氫氣汽車(chē)和吸附氫氣汽車(chē)三種。氫能汽車(chē)是以氫為主要能量作為移動(dòng)的汽車(chē)。一般的內(nèi)燃機(jī)，通常注入柴油或汽油，氫汽車(chē)則改為使用氣體氫。燃料電池和電動(dòng)機(jī)會(huì)取代一般的引擎，即氫燃料電池

氫能源動(dòng)力汽車(chē)的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻隔，通過(guò)外電路從負(fù)極傳導(dǎo)到正極，成為電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；質(zhì)子卻可以通過(guò)質(zhì)子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出。這樣有效減少了其他燃油的汽車(chē)造成的空氣污染問(wèn)題，高速車(chē)輛、巴士、潛水艇和火箭已經(jīng)在不同形式使用氫。另一方面能源從來(lái)都是個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)際上以氫為燃料的“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”技術(shù)取得重大突破，而“燃料電池汽車(chē)”已成為推動(dòng)“氫經(jīng)濟(jì)”的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在1965年，外國(guó)的科學(xué)家們就已設(shè)計(jì)出了能在馬路上行駛的氫能汽車(chē)。我國(guó)也在1980年成功地造出了第一輛氫能汽車(chē)，可乘坐12人，貯存氫材料90公斤。二、氫能源的優(yōu)點(diǎn)

氫在常溫常壓下是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的氣體。氫可以燃燒，產(chǎn)生熱量。氫氣的來(lái)源主要是從水中通過(guò)裂解制取。雖然氫氣本身的天然儲(chǔ)量不大，但作為氫的來(lái)源水資源卻十分豐富，而且氫燃燒后生成物質(zhì)還是水，能形成資源的快速循環(huán)。氫能源的優(yōu)點(diǎn)有1、干凈衛(wèi)生，氫氣燃燒后的產(chǎn)物是水，不會(huì)污染環(huán)境，

2、其次是氫氣在燃燒時(shí)比汽油的發(fā)熱量高。

3、氫能汽車(chē)行車(chē)路遠(yuǎn)，使用的壽命長(zhǎng)。

4、氫氣可以從電解水、煤的氣化中大量制取，而且不需要對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大的改裝。

正是由于以上幾個(gè)相對(duì)于石油燃料比較顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此氫能汽車(chē)在現(xiàn)代汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。三、氫能源汽車(chē)的主要研究方向氫氣燃料汽車(chē)，目前主要應(yīng)用的技術(shù)途徑有兩個(gè)：一是內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)改用氫氣燃料；二是氫氣燃料電池電動(dòng)車(chē)，這依賴(lài)于燃料電池技術(shù)的發(fā)展

。（一）內(nèi)燃機(jī)用氫氣燃料

氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)屬點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，可以由汽油機(jī)改制，也可以有柴油機(jī)改制。由汽油機(jī)改制要考慮噴氫器的安裝，由柴油機(jī)改制則要考慮加裝點(diǎn)火系統(tǒng)等問(wèn)題。常用的氫氣使用方法有壓縮清漆汽車(chē)、液化氫氣汽車(chē)和吸附氫氣汽車(chē)三種。

壓縮氫汽車(chē)：壓縮氫汽車(chē)是指以高壓氣態(tài)攜帶氫的氫燃料汽車(chē)，氫氣一20-25MPa的壓力儲(chǔ)存于高壓容器中。工作時(shí)經(jīng)降壓、計(jì)量和混合后進(jìn)入汽缸，也可以直接噴入汽缸。由于燃料箱尺寸的問(wèn)題，難以運(yùn)用于汽車(chē)上。

液化氫汽車(chē)：液化氫汽車(chē)是指以液態(tài)攜帶氫的氫燃料汽車(chē)，工作時(shí)液態(tài)氫經(jīng)升溫、降壓和計(jì)量，然后直接噴入汽缸，或在機(jī)外混合后進(jìn)入汽缸。一般是直接噴入汽缸。但由于氫氣要在非常低溫條件下（-253攝氏度）才可液化成液化氫。因此液態(tài)容器必須耐超低溫，材料要求很高，管道及閥門(mén)要求有極高的絕熱能力及耐低溫能力，而且各街頭處還必須非常密封。因此也有一定的難度。

吸附氫汽車(chē)：吸附氫汽車(chē)是指以金屬氫化物或納米管攜帶氫的氫燃料汽車(chē)，工作時(shí)，儲(chǔ)存于金屬氫化物或碳納米管中的氫釋放出來(lái)直接噴入汽缸，或在機(jī)外與空氣混合后進(jìn)入汽缸。（二）

氫燃料電池電動(dòng)車(chē)

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的高效率發(fā)電裝臵。目前大多數(shù)燃料電池汽車(chē)使用壓縮氫氣或液化氫氣作為燃料。

氫燃料電池裝臵從本質(zhì)上說(shuō)是水電解的一個(gè)逆裝臵。是氫和氧通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能的過(guò)程。與使用傳統(tǒng)能源的汽車(chē)相比，用氫氣做發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的汽車(chē)具有明顯的優(yōu)越性：潔凈無(wú)污染，能源轉(zhuǎn)化率高（40%以上），噪聲低，續(xù)駛里程可與汽油車(chē)相當(dāng)。同時(shí)，氫氣來(lái)源廣泛。對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)只需稍加改造，就可燃燒氫氣。所以有人認(rèn)為未來(lái)的燃料是氫氣，氫氣燃料汽車(chē)是將來(lái)最有希望的交通工具。氫氣汽車(chē)還處于研究探索階段。四、世界主要汽車(chē)公司氫能源發(fā)展動(dòng)態(tài)（一）通用汽車(chē)公司：

自1964年建立第一個(gè)燃料電池實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，至今已斥資10億多美元用于新能源汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)。通用汽車(chē)公司對(duì)外宣稱(chēng)：計(jì)劃在2010年實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車(chē)Hywire批量生產(chǎn)，并希望成為第一家售出100萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)的汽車(chē)制造商。近年來(lái)主要成果有：Hywire線傳控燃料電池車(chē)、“氫動(dòng)三號(hào)”（HydroGen3）燃料電池車(chē)、Sequel氫燃料電池車(chē)。這些都全面展示通用汽車(chē)在推廣節(jié)能和環(huán)保汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的成就（二）福特汽車(chē)公司：

福特Focus

FCV

是一款燃料電池概念車(chē)。而專(zhuān)門(mén)為批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的福特U型車(chē)，其動(dòng)力來(lái)自于世界第一臺(tái)增壓氫動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)，再配以混合電動(dòng)變速器，U型車(chē)開(kāi)創(chuàng)了福特汽車(chē)公司繼T型車(chē)后的第二個(gè)新紀(jì)元，也展示了未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展潮流。

（三）豐田汽車(chē)公司：

其目標(biāo)是“在全世界范圍深入普及混合動(dòng)力汽車(chē)”，它被看成環(huán)保汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，在普及混合動(dòng)力系統(tǒng)的低燃耗、低排放和改進(jìn)行駛性能方面已經(jīng)走在世界的前列。該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出由氫氣和電力驅(qū)動(dòng)的第五代燃料電池車(chē)“FCHV-5”，并向美國(guó)加州燃料電池合作組織提供樣車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)。

（四）日產(chǎn)汽車(chē)公司：

日產(chǎn)汽車(chē)公司從1996年就開(kāi)始研發(fā)燃料電池，2002年12月推出了一款X-TRAIL燃料電池車(chē)，它以大排量、高油耗的奇駿SUV作為改裝對(duì)象

（五）寶馬汽車(chē)公司：

寶馬汽車(chē)公司旗下的BMW品牌也隆重推出了其在氫動(dòng)力方面的杰出代表--H2R氫能試驗(yàn)賽車(chē)“車(chē)速世界紀(jì)錄氫燃料賽車(chē)”。2004年9月，H2R氫能試驗(yàn)賽車(chē)在一天之內(nèi)連續(xù)創(chuàng)造了9項(xiàng)世界紀(jì)錄，以令人印象深刻的方式證明了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的驚人潛力，同時(shí)也表明BMW集團(tuán)對(duì)氫燃料完全取代傳統(tǒng)燃料這一全球汽車(chē)工業(yè)發(fā)展方向的堅(jiān)定信念。同時(shí)，寶馬公司計(jì)劃在2005年大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料，為此已投入10億歐元，并且將繼續(xù)追加10億歐元。

（六）大眾汽車(chē)公司：

大眾的途安HyMotion，使用氫燃料電池，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。其最大行駛距離為160km。五、氫動(dòng)力推廣難題（一）環(huán)保問(wèn)題

一般人認(rèn)為，以氫燃料為動(dòng)力的汽車(chē)只會(huì)產(chǎn)生水，事實(shí)也的確是這樣，那為什么說(shuō)氫燃料汽車(chē)并不環(huán)保呢？環(huán)球能源網(wǎng)認(rèn)為，我們必須從其生產(chǎn)原料上來(lái)分析，由于技術(shù)水平并不先進(jìn)，以及考慮到成本等的問(wèn)題，世界上很多國(guó)家的氫燃料的生產(chǎn)并不是以水為原料，而是以天然氣作為生產(chǎn)原料，先前講到了，如果要電解水取得氫氣，那需要很大的能量消耗，而且要生產(chǎn)出能量值與普通汽油燃料相當(dāng)?shù)臍淙剂希覀兙托枰罅康乃Y源，水同樣也是我們這個(gè)星球稀缺的資源，因?yàn)槲覀冞@里講到的水是淡水，而不是海水。而天然氣的貯存方式相對(duì)成熟得多，而且我們可以用并不算多的天然氣生產(chǎn)出能量值與普通汽油燃料相當(dāng)氫燃料。因此，作為氫燃料生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，為了降低生產(chǎn)成本，他們寧愿選擇天然氣。問(wèn)題就出在這里，天然氣也屬于化石能源的范疇，那么使用它就必定會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，從這個(gè)層面上來(lái)講，我們的氫能汽車(chē)并不環(huán)保。（二）經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題

如今我們很多的加油站都是以提供化石燃料為主，而沒(méi)有單獨(dú)提供氫能燃料的場(chǎng)所，如果我們要利用起的加油站，那么就必須修建大量的輸送管道，而且這樣做的前提是，氫能汽車(chē)的數(shù)量一定要達(dá)到一個(gè)合適的規(guī)模，數(shù)量過(guò)少的話，那修建輸送管道的成本就顯得有點(diǎn)高了。而如今，我們只能從一些新能源展會(huì)上才能看到氫燃料電池汽車(chē)的身影，大街上主要行駛的還是普通汽油驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，即便是在巴西這樣的新能源汽車(chē)大國(guó)，其80%以上的汽車(chē)使用的也是乙醇，而非氫燃料電池。因此在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，我們還很難將氫燃料電池汽車(chē)推廣出去，至少在工藝上我們還不過(guò)關(guān)。（三）節(jié)能降耗問(wèn)題

我們研究氫能源，最根本的就是要解決能源匱乏的大問(wèn)題，但是如果為了獲得氫能源要以消耗更多的其他能量為代價(jià)，未免有些得不償失，舍本逐末。一般情況下，我們要獲得氫，都會(huì)從水里分解出來(lái)，這就需要用到電，需要將交流電轉(zhuǎn)化成直流電，這過(guò)程將使得氫分子中的能連損失2%-3%，接下來(lái)我們開(kāi)始電解水，在此過(guò)程中能效只能達(dá)到70%，其余30%的能量被消耗掉。經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)過(guò)程，我們獲得了氫氣，但是由于是氣體，因此其體積非常大，這個(gè)就需要我們用10000磅/平方英寸的大氣壓強(qiáng)對(duì)氫氣進(jìn)行壓縮處理，這個(gè)過(guò)程又將耗能15%，即便是經(jīng)過(guò)了這一系列處理，同等質(zhì)量的氫燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有，并且要貯存這些氫燃料需要很大的存儲(chǔ)設(shè)備。此外，為了保持氫燃料電池的穩(wěn)定，我們還要將溫度控制在零下253度，這一過(guò)程再次耗能30%-40%。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于我們很難保持零下253度的恒溫，因此我們還將損失10%的能量，而在氫燃料被注入汽車(chē)前，我們又損失了大約50%的能量，最終我們還將損失10%的能量，因?yàn)闅淠芷?chē)的能效只有90%。綜合上述所有的過(guò)程，我們要驅(qū)動(dòng)一輛氫能汽車(chē)的能耗高達(dá)80%?。ㄋ模┘夹g(shù)瓶頸

為了解決推廣氫能汽車(chē)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，我們首先需要解決三個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

4.1大量制取廉價(jià)氫氣的方法。傳統(tǒng)的電解方法價(jià)格昂貴，且耗費(fèi)其他資源，無(wú)法推廣；

4.2解決氫氣的安全儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。

4.3解決汽車(chē)所需的高性能、廉價(jià)的氫供給系統(tǒng)。目前常見(jiàn)的供給系統(tǒng)有三種，氣管定時(shí)噴射式、低壓缸內(nèi)噴射式和高壓缸內(nèi)噴射式。隨著儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展，可以為氫能汽車(chē)開(kāi)辟全新的途徑。而最近，科學(xué)家們研制的高效率氫燃料電池，更減小了氫氣損失和熱量散失。六、關(guān)于氫能源汽車(chē)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

1、推出加氫加油站，為普通汽車(chē)提供加油服務(wù)，并為燃料電池車(chē)加氫。

加氫設(shè)施與普通加油站內(nèi)的設(shè)施沒(méi)有太大區(qū)別，加氫過(guò)程與一般汽油車(chē)加油類(lèi)似。加氫站面積比一般加油站大，由氫氣分離廠和加氣臺(tái)兩部分組成。氫氣分離廠內(nèi)設(shè)有氫氣分離罐，工程人員向罐內(nèi)輸入水，在電力的作用下，水便分離成氫氣和氧氣。分離出的氧氣通過(guò)管道向空中釋放，同時(shí)將氫氣收集在密封壓力罐內(nèi)加壓、儲(chǔ)存，再通過(guò)高壓管道為氫汽車(chē)加氫。

氫是易燃物，所以人們首先會(huì)想到加氫站和氫汽車(chē)的安全性。但是只要科研人員成功地解決了管道壓力問(wèn)題，顧客加氫時(shí)絕對(duì)安全。

1、

車(chē)載氫氧機(jī)

車(chē)載氫氧機(jī)是利用汽車(chē)上蓄電池的電力對(duì)水進(jìn)行電解，所產(chǎn)生的氫氧混合氣由進(jìn)風(fēng)口被吸入汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)中，和傳統(tǒng)的汽油、柴油或是天然氣混合燃燒。氫氧混合氣只有加入5%左右，即可達(dá)到降低燃油消耗10%~40%,同時(shí)減少50%的污染排放。車(chē)載氫氧機(jī)雖沒(méi)有完全替代傳統(tǒng)燃料，但能達(dá)到節(jié)能減排，也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，畢竟這種方案投資少，見(jiàn)效快，更容易被消費(fèi)者所接受。

當(dāng)前全球性金融危機(jī)和能源危機(jī)對(duì)中國(guó)汽車(chē)企業(yè)來(lái)說(shuō)既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。如果能抓住機(jī)會(huì)，重視建設(shè)汽車(chē)動(dòng)力主流產(chǎn)品節(jié)油核心技術(shù)的研發(fā)和自主創(chuàng)新能力，將會(huì)一舉改變中國(guó)汽車(chē)企業(yè)長(zhǎng)期依賴(lài)外國(guó)公司、在核心技術(shù)方面被外國(guó)公司控制的狀況，將能以技術(shù)先進(jìn)的汽車(chē)在世界主流汽車(chē)產(chǎn)品市場(chǎng)上與外國(guó)公司競(jìng)爭(zhēng)。

在能源緊缺、交通能源動(dòng)力系統(tǒng)面臨轉(zhuǎn)型的重要時(shí)刻，氫能源動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展對(duì)中國(guó)的未來(lái)尤其重要。希望這些探討能有助于中國(guó)能源和技術(shù)發(fā)展政策的制定。燃料電池作為一種高效零污染電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝臵，被認(rèn)為是汽車(chē)動(dòng)力電氣化核心部件的理想選擇；氫能燃料電池作為新一代汽車(chē)能源動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型目標(biāo)被全球所看好。人類(lèi)通過(guò)持續(xù)不斷的努力。最終實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)力系統(tǒng)的根本轉(zhuǎn)型。實(shí)現(xiàn)向氫經(jīng)濟(jì)過(guò)度。仍將是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，預(yù)計(jì)燃料電池轎車(chē)的大規(guī)模商業(yè)化大約在2020年左右，最終的氫能經(jīng)濟(jì)會(huì)在2040-2050年之間實(shí)現(xiàn)。從而進(jìn)入氫動(dòng)力時(shí)代。

[參考文獻(xiàn)][1]《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修》呂秋霞.人民交通出版社.2007.09

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