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无污染零排放储量丰富氢动力汽车解析

| 2021-01-21

随着“汽车社会”的逐渐形成,汽车保有量在不断地呈现上升趋势,而石油等资源却捉襟见肘,另一方面,吞下大量汽油的车辆不断排放着有害气体和污染物质。最终的解决之道当然不是限制汽车工业发展,而是开放替代石油的新能源,燃料电池车的四轮快速又安静地滚过路面,辙印出新能源的名字——氢。

几乎所有的世界汽车巨头都在研制新能源汽车。电曾经被认为是汽车的未来动力,但蓄电池漫长的充电时间和重量使得人们渐渐对它兴味索然。而目前(指2009年)的电与汽油合用的混合动力车只能暂时性地缓解能源危机,只能减少但无法摆脱对石油的依赖。这个时候,氢动力燃料电池的出现,犹如再造了一艘诺亚方舟,让人们从危机中看到无限希望。

以氢气为汽车燃料这种说法刚出来时吓人一跳,但事实上是有根据的。氢具有很高的能量密度,释放的能量足以使汽车发动机运转,而且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水,没有污染。因此,许多科学家预言,以氢为能源的燃料电池是21世纪汽车的核心技术,它对汽车工业的革命性意义,相当于微处理器对计算机业那样重要。

氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染,零排放,储量丰富等优势,因此,氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。与传统动力汽车相比,氢动力汽车成本至少高出20%。中国长安汽车(微博)在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火,并在2008年北京车展(微博)上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。

与传统汽车相比,氢动力汽车能量转化效率高达60-80%,为内燃机的2至3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。燃料电池本身工作没有噪声、没有振动,其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道,本身不参与化学反应,没有损耗,寿命长。从这些方面来看,氢动力汽车当之无愧地是未来汽车发展的重点。

氢的特点

氢位于元素周期表之首,它的原子序数为1,在常温常压下为气态,在超低温高压下又可成为液态。作为能源,氢有以下特点:

(l)所有元素中,氢重量最轻。在标准状态下,它的密度为0.0899g/l;在-252.7°C时,可成为液体,若将压力增大到数百个大气压,液氢就可变为金属氢。

(2)所有气体中,氢气的导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

(3)氢是自然界存在最普遍的元素,据估计它构成了宇宙质量的75%,除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。

(4)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3倍。

(5)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。

(6)氢本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。

(7)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。

(8)氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。

氢从哪里来?

一 氢矿在哪里?

在人类生存的地球上,氢是最丰富的元素,但是自然界却没有纯氢存在。最常见的含氢物质是水(H2O);其次就是各种含氢化合物如石油、天然气、硫化氢及各种生物质等。所以按行业习惯我们将江、河、湖、海称为“氢矿”。可见,“氢矿”到处都有,不难发现。

二 工业化制氢方法

目前我国97%的氢气是由化石燃料生产的,其余的通过水电解法生产。化石燃料制造氢气要向大气排放大量的温室气体,对环境不利。水电解制造氢气则不产生温室气体,但是生产成本较高。因此水解制氢适合电力资源如水电、风能、地热能、潮汐能以及核能比较丰富的地区。

1 以煤为原料制氢

煤是我国最主要的化石能源,其主要成分是碳,也有很少的碳氢化合物。煤制氢的本质是以碳取代水中的氢,最终生成氢气和二氧化碳。这里,碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热。氢几乎全来自于水。

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种:

一是煤的焦化(或称高温干馏),煤在隔绝空气条件下,在 900~1000℃制取焦碳,副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组份中含氢气 55~60%(体积)、甲烷23~27%一氧化碳5~8%等。每吨煤可得煤气 300~350m3,作为城市煤气,亦是制取氢气的原料。

二是煤的气化,使煤在高温常压或加压下,与水蒸汽或氧气(空气)等反应转化成气体产物。气体产物中氢气的含量随不同气化方法而异。煤气化制氢是一种具有我国特点的制氢方法。通常做法是将煤从地下挖出,破碎、分类后放到专门的设备中进行上述反应。其实也可以在地下进行煤制氢,一般在煤矿的地表建成两个井,一个进气,一个出含氢的混合气。在地面上净化,得到可用的氢。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视,我国已经在山东、河北一带进行了几个工业化示范,效果很好。地下气化技术具有煤资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。

2 天然气制氢

天然气的主要成分是甲烷( CH4),本身就含有氢。和煤制氢相比,用天然气制氢产量高、加工成本较低,排放的温室气体少,因此天然气成为国外制造氢气的主要原料。其中天然气蒸汽转化是较普遍的制造氢气方法。工业上甲烷蒸汽转化过程采用镍做催化剂,操作温度750~920℃,操作压力 2.17~2.86MPa。较高的压力可以改善过程效率。反应是吸热的,热量通过燃烧室燃烧甲烷供给。甲烷蒸汽转化制得的合成气,经过高低温变换反应将一氧化碳转化为二氧化碳和额外的氢气。为了防止甲烷蒸汽转化过程析碳,反应进料中需采用过量的水蒸气。最终氢气的收率与采用的技术路线有关。天然气制氢的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

重油是炼油过程中的残余物,可用来制造氢气。重油部分氧化过程中碳氢化合物与氧气、水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。该过程在一定的压力下进行,可以采用催化剂,也可以不采用催化剂,这取决于所选原料与过程。催化部分氧化通常是以甲烷或石脑油为主的低碳烃为原料,而非催化部分氧化则以重油为原料,反应温度在 1150~1315℃。重油部分氧化制得的氢主要来自水蒸气。

4 水电解制造氢气

水电解制造氢气是成熟的制造氢气的方法,已有80余年生产历史。水电解制得的氢气纯度高,操作简便,但需耗电。水电解制氢的效率一般在 75~ 85%,一般生产1m3氢气和0.5m3氧气的电耗为4~5kWh。根据热力学原理,电解水制得1m3氢气和0.5m3氧气的最低电耗要2.95度电。所以有的发明家得到低于此值的结果就不可信了。当然,如果是电解水溶液,得到氢和另一种非氧的产物,其电耗另当别论。水电解制氢的本质是以电能打开水中的氢和氧的结合键,最终生成氢气和氧气。这里的氢全部来自于水。

 
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