氫能源汽車發(fā)展?fàn)顩r淺析

申娟++趙康++陳靜++安剛

摘 要：隨著科研水平的不斷提高，氫能源在許多行業(yè)都有很好的應(yīng)用，特別是最近幾年，氫能源在汽車行業(yè)中的應(yīng)用得到了較好地發(fā)展，文章首先闡述了氫能源的發(fā)展概述，同時(shí)分析了制氫技術(shù)和儲(chǔ)氫技術(shù)，并分析了其在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了影響氫能源發(fā)展的因素，提出氫能源的發(fā)展前景以及發(fā)展戰(zhàn)略。

關(guān)鍵詞：氫能源汽車；發(fā)展?fàn)顩r；分析

中圖分類號(hào)：TE09 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0164-02

1 氫能源概述

目前我國(guó)的汽車燃料大部分使用的是石油和天然氣，然而隨著我國(guó)能源的日益減少，保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源成為了當(dāng)前能源開(kāi)發(fā)需要遵循的主要原則，為了給人們提供一個(gè)良好的生存環(huán)境，充分利用能源，我國(guó)以及世界范圍內(nèi)的很多學(xué)者都在努力研究能源的有效利用和開(kāi)發(fā)，通過(guò)大量的研究表明，氫能源具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如氫能源可以產(chǎn)生較大的熱量，同時(shí)在作為燃料進(jìn)行燃燒時(shí)不會(huì)對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生污染，因?yàn)樗ㄟ^(guò)和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水，而且這種能源在很多物質(zhì)中都有一定的含量，來(lái)源比較廣，如一些生物質(zhì)和水中都含有大量的氫成分，同時(shí)氫能源是一種可再生能源，所以氫能源得到了廣大科研人員的高度重視，也被作為應(yīng)用到汽車行業(yè)中的主要研究對(duì)象之一。

2 氫能源的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 利用氫能的發(fā)動(dòng)機(jī)

汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)在氫能源的應(yīng)用方面主要有兩種，即氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)氫能源的純度可以分為純氫燃料和摻氫燃料兩種，純氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用是在原來(lái)以汽油作燃料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，改為完全用氫能源作燃料，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)主要有：只是通過(guò)和空氣進(jìn)行簡(jiǎn)單的混合就能夠很容易地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)氫能源和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后的產(chǎn)物只有H2O和NOx，沒(méi)有產(chǎn)生一些固體物質(zhì)，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的損害非常小，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)汽車所用的潤(rùn)滑油幾乎不會(huì)產(chǎn)生污染；但是由于氫能源的在燃燒時(shí)溫度高，會(huì)產(chǎn)生很大的熱量等特點(diǎn)，導(dǎo)致通過(guò)應(yīng)用氫能源的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到早燃、回火、敲缸、發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷高等問(wèn)題。氫能源在作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料時(shí)，還可以和其他的燃料一起使用，它只是作為燃料的一部分，這種應(yīng)用也稱為摻氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)在燃料中摻雜一部分氫能源，可以有效地提高汽油機(jī)的使用性能。燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)的，是通過(guò)一定的原理和作用完成電子輸送的過(guò)程，通過(guò)這一技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)主要有能量利用率高，而且便于攜帶。

2.2 制氫技術(shù)

從目前學(xué)者對(duì)于制氫技術(shù)的研究來(lái)看，可以總結(jié)為三個(gè)方面：（1）通過(guò)使用化學(xué)燃料實(shí)現(xiàn)制氫，比如，通過(guò)烴類的分解、氧化重整，碳?xì)浠衔锏难趸约懊旱臍饣确椒ㄖ圃鞖錃?，在目前是一種較為常見(jiàn)的制氫手段；（2）通過(guò)分解水的方法實(shí)現(xiàn)制氫，比如水的電解、光解、熱化學(xué)分解和直接熱分解的過(guò)程中都可以提煉出氫成分，應(yīng)用最為廣泛的就是通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)分解水進(jìn)行制氫；（3）生物制氫，這種制氫技術(shù)主要有細(xì)菌發(fā)酵法、海洋藻類光合放氫，這種制氫方法和前兩種技術(shù)相比具有消耗能源小且對(duì)環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 儲(chǔ)氫技術(shù)

儲(chǔ)氫技術(shù)是發(fā)展氫能源有效利用的最主要問(wèn)題，目前來(lái)看也是影響氫能源發(fā)展和利用的主要因素之一，氫能源之所以不易儲(chǔ)藏，是由于其在正常狀態(tài)下呈氣體狀態(tài)，密度只是空間的1/14，所以為了促進(jìn)氫能源更好地在多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)該研究一種既方便又經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫技術(shù)，目前，較為常用的儲(chǔ)氫技術(shù)主要有：氫的壓縮儲(chǔ)存、液化儲(chǔ)存、金屬氫化物和碳質(zhì)吸附儲(chǔ)存。

3 氫能源發(fā)展的制約因素

（1）高成本，由于制氫過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜而且需要消耗大量其他能源才能得已實(shí)現(xiàn)，其提煉過(guò)程需要較高的成本，據(jù)有關(guān)科研人員進(jìn)行假設(shè)推算，假如要想把美國(guó)所有的汽車都改造成為使用氫燃料的汽車，同時(shí)制氫燃料通過(guò)風(fēng)力發(fā)電提供，那么這一過(guò)程所需的電能需要美國(guó)近一半的發(fā)電站同時(shí)工作才能保證，氫能源不但在制造過(guò)程中需要較高的成本，同時(shí)在進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中也是相當(dāng)困難的，因?yàn)闅錃庵挥羞M(jìn)行壓縮之后才能進(jìn)行輸送，而且其對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的要求也較高，一輛可以輸送2400千克天然氣的運(yùn)輸車輛只能裝載288千克氫能，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)，通過(guò)利用氫能源生產(chǎn)的燃料電池車的生產(chǎn)成本達(dá)到8萬(wàn)美元，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車固然有其優(yōu)點(diǎn)，但是過(guò)高的成本使氫能源在汽車行業(yè)的發(fā)展以及應(yīng)用得到了很大程度的制約；（2）安全性，由于氫氣的密度小，很容易發(fā)生起火或者是氣化現(xiàn)象，因此在其制造、儲(chǔ)存以及傳輸過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生一些較為嚴(yán)重的危險(xiǎn)現(xiàn)象，而且從目前的技術(shù)水平來(lái)看，還不能充分地保證這些過(guò)程中氫氣可能造成的危險(xiǎn)預(yù)防，安全性能相對(duì)較低；（3）污染性，目前在氫能源的獲得方面主要是通過(guò)電解水和天然氣重整兩種技術(shù)方法，首先利用電解水的方法實(shí)現(xiàn)制氫時(shí)，相對(duì)最經(jīng)濟(jì)的方法是把煤炭作為燃料獲得電能最終實(shí)現(xiàn)制氫過(guò)程，但是這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較多的二氧化碳，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染，而通過(guò)天然氣制氫技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成空氣污染。

4 氫能源在汽車工業(yè)中的發(fā)展前景及發(fā)展戰(zhàn)略

4.1 國(guó)際汽車業(yè)氫能研究的進(jìn)展

為了有效地解決能源短缺的問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)能源的開(kāi)發(fā)和利用，世界范圍內(nèi)的相關(guān)部門在氫能源的研究方面都制定了完善的發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，通過(guò)大量科研人員的共同努力，氫能源在汽車行業(yè)的應(yīng)用也取得了很大的成果，在這方面，美國(guó)通過(guò)和其他企業(yè)合作，率先把一座加油站改建成了可同時(shí)供應(yīng)氣態(tài)和液態(tài)燃料的站點(diǎn)，同時(shí)在其他的一些發(fā)達(dá)國(guó)家也都取得了較大的成果。

4.2 中國(guó)汽車業(yè)氫能研究的進(jìn)展

隨著國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于氫技術(shù)的研究規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時(shí)在能源危機(jī)的巨大壓力下，我國(guó)對(duì)于氫能源的研究也越來(lái)越重視，比如，2002年1月我國(guó)科學(xué)院建立并開(kāi)啟的非常重要的科研項(xiàng)目“大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及氫源技術(shù)”，本項(xiàng)目耗費(fèi)了大量的人力和財(cái)力，我國(guó)政府和相關(guān)部門之所以不惜代價(jià)地開(kāi)啟本項(xiàng)目，最終目的就是為了能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車和氫能源相關(guān)技術(shù)在我國(guó)得到更好地發(fā)展，同時(shí)在用氫能源代替其他能源作為交通工具的燃料方面進(jìn)行了大量的研究，投入了大量的資金，同時(shí)各大院校也加大了氫能源有效利用方面的科學(xué)研究，比如清華大學(xué)就在大力度地進(jìn)行2008年在奧運(yùn)會(huì)上通過(guò)氫能源作為燃料的汽車的多方面可行性研究，而且我國(guó)對(duì)氫能源的燃料電池的研究也有四十多年的時(shí)間了，而且通過(guò)相關(guān)人員的不懈努力已經(jīng)取得了較好的成果，并在20世紀(jì)末期通過(guò)和其他公司進(jìn)行技術(shù)合作，終于研制成功了第一臺(tái)燃料電池的電動(dòng)汽車，2000年底上海神力科技有限公司開(kāi)發(fā)了“氫動(dòng)力一號(hào)”游覽車，2004年11月上海神力科技有限公司研制成功的“超越二號(hào)”轎車也是氫能源得到有效利用所取得的成果。

4.3 中國(guó)汽車業(yè)氫能研究的進(jìn)展

為了使氫能源在我國(guó)汽車行業(yè)得到有效地應(yīng)用，使其可以憑借高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，進(jìn)一步提高汽車制造技術(shù)水平，同時(shí)更好地解決我國(guó)面臨的能源危機(jī)，我國(guó)政府及相關(guān)部門一定要提高對(duì)氫能源開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用的重視程度，建立起專門的科學(xué)研究隊(duì)伍，加大人力和財(cái)力的投入力度，在借鑒國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際的研究水平和發(fā)展情況，建立起切合實(shí)際的短期以及長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃和具體的實(shí)施方案，具體來(lái)說(shuō)可以按著三個(gè)大的步驟進(jìn)行規(guī)劃：首先，是技術(shù)研發(fā)、政策制定以及市場(chǎng)培育階段，在這一過(guò)程中最主要的任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)氫能源的開(kāi)發(fā)、利用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題的有效解決，比如，對(duì)于制氫過(guò)程中所需要的能源和較高的成本問(wèn)題，氫氣的儲(chǔ)存、安全性、加氣站的建設(shè)以及通過(guò)氫氣作燃料的汽車排放問(wèn)題，同時(shí)政府要對(duì)相關(guān)的研究部門提供最大的支持，在稅收、市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制等方面采取一些有效的鼓勵(lì)政策，從而促進(jìn)我國(guó)在氫能源方面的有效開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；其次，向市場(chǎng)平穩(wěn)過(guò)渡，這一過(guò)程也是氫能源技術(shù)不斷趨于成熟的過(guò)程，通過(guò)研發(fā)新的技術(shù)，使氫氣的制取更加多元化，找到更加方便、安全、經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸方法，同時(shí)在技術(shù)應(yīng)用方面不斷提高其性能；在前兩個(gè)階段得到有效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上就進(jìn)入了第三階段，主要任務(wù)是進(jìn)一步拓寬市場(chǎng)，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以可再生能源作為原料制造出更經(jīng)濟(jì)、清潔、高效和便捷的能源，國(guó)家加大對(duì)氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，從而使氫能技術(shù)和市場(chǎng)體系進(jìn)一步完善。

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