基于醇水液制取富氫氣體為燃料的新能源汽車技術(shù)研究

孫騰，繆文俊

（1.欽州學(xué)院，廣西欽州535011；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶400023）

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基于醇水液制取富氫氣體為燃料的新能源汽車技術(shù)研究

孫騰1，繆文俊2

（1.欽州學(xué)院，廣西欽州535011；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶400023）

在醇水液較低溫度的情況下，采取以CeO2為載體，搭載Ni-Cu為活性組分，作為車載醇水液裂解制氫的催化劑，并對(duì)醇水液通入電流，發(fā)現(xiàn)醇水液裂解的轉(zhuǎn)換率和生成氣體中氫氣的選擇率有明顯的提升。最后，分別將汽油和車載醇水液制取富氫氣體做為汽車燃料，發(fā)現(xiàn)后者汽車排放尾氣中CO、HC、NOX的含量均大幅下降，有效減少了空氣污染。

氣體燃料；醇水液；富氫氣體；轉(zhuǎn)化率；氫氣選擇性

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界能源消耗第一大國(guó)，其中以汽車燃油排放所占比例尤為明顯，因此，由交通能耗引起的造成局部環(huán)境污染與全球溫室氣體排放已受到了政府及企業(yè)的極大關(guān)注，發(fā)展一種清潔可再生的新型替代能源當(dāng)務(wù)之急。經(jīng)相關(guān)部門研究表明[1-4]，以生物-醇類作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，既可以大幅度降低CO、HC以及氮氧化合物的排量。同時(shí)，將車載醇水液制取富氫氣體作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料能夠快速與空氣實(shí)現(xiàn)均勻混合，與石油相比，點(diǎn)火溫度更低，燃燒產(chǎn)物無(wú)固體顆粒，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，氣體燃燒更完全等特點(diǎn)[5]。在石油安全與環(huán)境壓力日益加重的情況下，發(fā)展以氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的新能源動(dòng)力系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。本文旨在充分開發(fā)利用廣西地區(qū)酒精及沼氣資源，就如何將酒精和沼氣資源應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了研究。

1 醇類制取富氫氣體

與化石能轉(zhuǎn)化、電解水等傳統(tǒng)的制氫方式相比，生物質(zhì)原料制取富氫氣體的新工藝具有更環(huán)保且資源可再生的優(yōu)點(diǎn)。目前，常用醇類裂解制氫氣主要使用的有甲醇和乙醇，然而目前甲醇的主要來(lái)源是以天然氣為原料來(lái)制取，從某種意義上說(shuō)不屬于可再生能源[6]。相反，乙醇卻可以通過(guò)生物質(zhì)能源大量獲取，充分發(fā)揮了廣西地區(qū)的自然資源。1991年，E.Y. Garica提出了乙醇裂解制取氫氣，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析[7]。1996年，K.Vaudeville和S.Fern等驗(yàn)證了乙醇制取氫氣以及氫氣供應(yīng)燃料電池的利用方式是完全可行的[8]。目前，在低溫狀態(tài)下，雖然乙醇水蒸氣在523 ~823 K范圍的低溫裂解已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[9]，但是如何利用不同的催化劑、通過(guò)何種反應(yīng)途徑來(lái)提高醇水液的轉(zhuǎn)換率和低溫條件下氫氣的選擇率仍然是需要解決的主要問(wèn)題。其發(fā)生的反應(yīng)有：

從乙醇和甲醇的反應(yīng)方程式中可以明顯看出，1 mol的乙醇可以釋放出6 mol的氫氣，而1 mol甲醇裂解制取的氫氣只有乙醇的一半。相較于甲醇的分子結(jié)構(gòu)，乙醇裂解制取氫氣效率更高。同時(shí)，乙醇相比甲醇更環(huán)保、在運(yùn)輸過(guò)程中易儲(chǔ)存，這也是浙江某能源公司選擇乙醇為制氫原料的原因。

1.1 生物乙醇裂解制氫氣條件

催化劑的選擇對(duì)乙醇裂解制取富氫氣體的轉(zhuǎn)換率起著關(guān)鍵性的作用，在不同的催化劑作用下，乙醇裂解的反應(yīng)速度、反應(yīng)途徑皆有所不同。目前，在乙醇裂解制取富氫氣體的反應(yīng)中，通常選用兩類催化劑：金屬氧化物催化劑或金屬氧化物搭載的金屬催化劑[10]

吳倩[11]等人研究表明CeO2具有弱堿性和獨(dú)特的氧化還原性，此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了提高氫氣的選擇性和最理想的氣體產(chǎn)率，采取了溫度在523~823 K間，Ni占10%，Cu占5%的催化劑，發(fā)現(xiàn)效果顯著且沒(méi)有副產(chǎn)物?？紤]到CeO2能夠在醇水液裂解氫化過(guò)程中具有良好的催化劑穩(wěn)定性和高效性，并成本低廉。因此，浙江某能源公司最終采用金屬氧化物搭載的金屬催化劑：以CeO2為載體，搭載10Ni5Cu為活性組分，作為車載醇水液裂解制氫的催化劑。

1.2 醇水液裂解制氫反應(yīng)中電流的釋放

圖1，（a）、（b）圖分別表示了醇水液在通電的情況下，電流對(duì)乙醇轉(zhuǎn)換率的影響和氫氣選擇性的影響。

由圖（a）所示，不同的曲線分別表示了在不同溫度下，電流對(duì)醇水液的轉(zhuǎn)化率。在不對(duì)醇水液通入電流時(shí)，隨著溫度的降低，醇水液的轉(zhuǎn)化率大幅下降。浙江能源公司所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫度在523 ~823 K之間，為了能在較低溫度下，提高醇水液的轉(zhuǎn)化率，本文作者采取在反應(yīng)裝置中增設(shè)了電極輸入催化電流以促進(jìn)醇水液的裂解反應(yīng)。

（b）圖曲線表示氫氣選擇性的影響，在較低溫度的情況下，隨著通入電流的增強(qiáng)，氫氣的選擇性有明顯的改善。與此同時(shí)，在通入同一電流情況下，通入3 A電流時(shí)產(chǎn)氫率是不通電流的2倍多，由圖中正方形狀曲線可以看出，在溫度較低的情況下，較大的電流對(duì)氫氣的產(chǎn)率影響最大?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)，浙江某能源公司在原有的醇水反應(yīng)裝置中加裝電極通入3 A的催化電流，以提高乙醇轉(zhuǎn)換率和氫氣選擇性。

圖1 電流對(duì)乙醇轉(zhuǎn)換率和電流對(duì)氫氣選擇性的影響

2 車載醇水液裂解制取氣體燃料實(shí)車試驗(yàn)

以浙江某能源公司實(shí)驗(yàn)車輛上分別裝載燃燒汽油和醇水混合液為例進(jìn)行分析，在大氣壓力在101.3 kPa，環(huán)境溫度為（298±1）K，相對(duì)濕度50%~66% RH，分別檢測(cè)了在（760±100）r/min和（2500±100）r/min時(shí)，兩種燃料的對(duì)比試驗(yàn)，以富氫氣體為燃料的車輛的CO、HC、NOX的排放濃度均有大幅降低，其中，氮氧化合物的排放基本為零，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2.該企業(yè)在不改變以汽油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)加裝減壓閥、ECU連接器、氣體分配器等裝置，使醇水液產(chǎn)生的富氫氣體直接輸入到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，考慮到瞬態(tài)工況和熱機(jī)等情況，在以醇水液制取富氫氣體汽車后備箱加載了氫氣瓶，如圖2所示。

表2 醇水液裂解制取氣體燃料驅(qū)動(dòng)汽車尾氣排放檢測(cè)

圖2 改裝后試驗(yàn)車照片

3 結(jié)論

本文研究了在低溫情況下，催化醇類制取富氫氣體的催化劑，確定了用醇水反應(yīng)裝置中加裝電極催化電流來(lái)提高醇水裂解的轉(zhuǎn)換率和生成氣體中氫氣的選擇率。最后，與浙江某能源公司合作并進(jìn)行富氫氣體燃料實(shí)驗(yàn)，得到了車輛的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸呐欧艥舛染写蠓档?，使環(huán)境得到了有效保護(hù)。

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Study on the Hydrogen Rich Gas Converted from Alcohol Water Liquid as Gas Fuel for New Energy Automobile

SUN Teng1，MIU Wen-jun2
（1.Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China；2.Changan Chongqing Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Chongqing 400023，China）

In order to improve the cracking conversion rate and selection of hydrogen in gas production rate for the alcohol water liguid under the low temperture，CeO2and Ni-Cu are adopted as catalyst.At the same time，the alcohol liquid is under current.At last，automobile tail gas is compared between gasoline and the hydrogen rich gas which is used as vehicle fuel.It shows that CO，HC，NOXfrom automobile tail gas have been sharp decreased which air pollution is effectively reduced.

gaseous fuel；alcohol water liquid；hydrogen-rich gas；conversion rate；hydrogen selectivity

TQ116.2

A

1672-545X（2017）06-0111-02

2017-03-16

廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（KY2016LX435）；欽州學(xué)院教改項(xiàng)目（2016QYJGB39）

孫騰（1988-），男，廣西欽州人，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM/CAE.