绿色氢能交通燃料电池汽车中新型制氢系统和余热利用装置的设计.docx

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1、绿色氢能交通——氢燃料电池汽车中新型制氢系统和余热利用装置的设计•氢能及其应用系统背景•氢能能源是人类社会存在的基石。随着经济发展、人口增长，人类活动对能源的需求越来越大。化石能源是当前的主要能源，它属于不可再生资源，在地球上的储量有限，随着大量开采，终有枯竭之时。而且化石能源的消费剧增，会产生大量的温室气体CO2，及SO2、NOX等其他多种污染物。从能源战略发展来看，寻找一种新型清洁能源已迫在眉睫。氢能由于其固有的特性，越来越引起社会各界的关注。氢的资源丰富。地球上的氢主要以其化合物（如H2O、CH4和CnHm等）形式存在。而地球表面70%以上被水覆盖，即使在大陆，也拥

2、有丰富的地表水和地下水。水就是地球上无处不在的“氢矿”[1]。氢的来源多样性。可以通过各种一次能源（如天然气、煤、煤层气），也可以通过可再生能源（如太阳能、风能、生物质能）或者二次能源（如电力）来开采“氢矿”。氢能环保及可再生。利用燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水，无污染产物。而水又可以利用其他能源转化为氢和氧，如此循环，永无止境。氢气具有可储存性。这是氢能和电、热能最大的不同。可再生能源的时空不稳定性，可以用氢的形式来弥补，即将可再生能源制成氢储存起来。氢是安全的能源。氢在空气中的扩散能力很大，因此氢泄露或燃烧时能快速垂直上升到空气中并扩散，氢本身不具毒性及放射

3、性，不产生温室效应。由于氢具有以上特点，所以氢能可以永远、无限期地同时满足资源、环境和可持续发展的要求，成为人类永恒的能源。研究结果表明，以现有资源来实现平稳过渡到清洁能源经济，生物产氢和燃料电池是最有希望的组合[2]氢作为能源使用时，除了需要制氢的生产装置，还必须向氢能消费地区和氢能使用装置转移、储存，形成一个氢能生产、运输、储存、转化直到终端使用的氢能体系。典型的氢能系统如图1-1所示[3]。因此在涉及和实施氢能发展战略时，要有综合大系统的理念，要根据终端用户的特点和要求来论证和选择各种氢能生产、储运和转化的路线，比较各种能源系统的成本，制定相关的法规和标准；政府要负

4、责确定和支持氢能发展的领导责任，用政策支持、吸引企业的参加；进行教育宣传，让广大消费者认识和接受氢能产品。这样氢能才能在未来能源结构中起到越来越大的作用。这也是我们这次竞赛的意义所在。图1-1氢能系统•氢能汽车在过去的近20年中，汽车汽油机经历了从化油器→电控汽油喷射→发动机集中管理系统的技术飞跃，为降低汽油机的能耗和有害物的排放做出了重要贡献。但在目前的基础上，要使油耗进一步降低至3L/100km，排放达到接近于零排放的要求，不仅在技术上十分困难，经济上的代价也十分昂贵。为此，美国、德国、日本等世界著名汽车生产集团都把目光转向了以氢作为燃料的氢能汽车动力装置。当前以氢作

5、为汽车燃料有两种形式：第一种以燃料电池形式，让氢气和氧气在特殊的催化剂作用下发生电化学反应；第二种是传统的活塞式内燃机，以液态氢代替汽油、煤油等燃料。氢内燃机的基本原理与汽油或柴油内燃机原理相同，是现阶段一种很好的过渡产品，而燃料电池汽车具有高能量转化效率和零排放等优点，拥有更广阔的应用前景。•氢气输送、储存设施及加氢站氢气运输方式是影响运输成本、能源使用和碳排放的重要因素，这又与产氢工厂的地理位置密切相关。选择成本最低的交通运输模式(压缩气卡车，低温液体卡车或天然气管道)将取决于特定的地理和市场特征(如城市大小、人口密度、数量的加气站和市场渗透的燃料电池汽车)。前人的研

6、究开发了模型来描述交货距离和估计成本，排放和能源使用方面的不同部分的交付链(如压缩或液化、交付和加油站)。结果表明，压缩氢气卡车交货对需求量小的加氢站或者用户单位是理想的，液体输送适合长距离输送和中等需求，管道输送适合于需求量大或用户密集区域。氢气运送管线成本高昂，高于任何电线管路，比天然气管线贵将近三倍，因为氢会加速一般钢管的碎裂(氢脆化)，增加维护成本、外泄风险和材料成本。学者提出一种新科技：高压运送，管线成本低，但是高压力管需要更多材料打造。所以要进入氢经济时代需要大量的管线基础建设投资，才能储存和分配氢气到末端的氢气车用户。基于经济性分析，目前的存储技术适合分为以

7、下几类[4]：表1储氢类型存储类型适用场合优点缺点地下存储大量、长期储氢液氢存储大量、长期储氢或需要液氢电耗少压缩存储小量储氢，短时间内多次充放金属氢化物存储小量储氢至2009年8月，世界已运行的加氢站（700Bar）有199个，现规划中约150个。从事加氢站建设的企业主要有AirLiquide，AirProductsandChemicals，Hydrogenics，Linde，ShellHydrogen，StatoilHydro和H2Logic。图1-2加氢站分布图2007年，中国第一座加氢站建成于上海安亭。由上海舜华新能源