新能源氢能汽车氢燃料电池的研究和设计

新能源氢能汽车氢燃料电池的研究和设计

1,综述

1.1研究意义

氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，二次能源。氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。

氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。

氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机，通常注入柴油或汽油，氢汽车则改为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池的原理是把氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到正极，成为电能驱动电动机；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为纯净的水雾排出。这样有效减少了其他燃油的汽车造成的空气污染问题。

用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水和少量氮氧化合物，对空气污染很少。氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此氢能汽车具有广阔的应用前景。

干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

1.2研究现状

在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。

氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油内燃机车的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里，很快便没能量。另一方面，各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间，例如用液态氢或氢化物。1807年Isaac de Rivas

制造了首辆氢内燃车。可惜该设计甚不成功。宝马的氢内燃车有更多的力量，比氢燃料电池车更快。宝马的氢汽车以三百公里每小时创下了氢汽车的最高速记录。万事达已在开发烧氢的转子引擎。该转子引擎反覆转动，故氢从开口在引擎内的不同部分燃烧，减少突然爆炸这个氢燃料活塞引擎的问题。日本武藏工业大学1990年在第八届世界氢能会议上展出了一部使用液氢储罐的燃氢轿车。它由NISSAN车改装，使用一个容积100L，总重60kg的液氢罐，可以100km/h行驶，排放废气中无CO2。中国研制的燃用氢、汽油混合燃料的城市节能公共汽车正进行试验。其他重要汽车生产商如通用汽车和DaimlerChrysler公司，投资在较慢较弱但较有效的氢燃料电池。

1960年代后期，Roger E. Billings制造了燃料电池的原型。在燃料电池氢汽车

的发展主要有三个障碍。

首先，氢的密度很低，就算燃料以液态形式储存在低温瓶或压缩气体瓶，在那些空间能够储存的能量十分有限，而氢汽车比起其他汽车就十分受限。有些研究已经用特别结晶体来储存氢在较高密度的环境中，而且更安全。

另外一种方法是不储存氢分子，而使用氢重组器来从传统燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氢。很多环保分子对此想法不感兴趣，因为它依赖了化石燃料。可是，这是有效的重组程序。使用重组过的汽油或乙醇来推动燃料电池，仍比使用内燃引擎来得有效。

其次，制造在氢汽车提供电力可靠燃料电池，耗资颇高。科学家努力研究令燃料电池的成本尽量便宜，同时又有足够硬度以抵受撞击和震动这些汽车的基本问题。燃料电池的设计大都脆弱，故不能在那些情况下保存。加上很多设计都需要稀有物如铂作为加速剂，令工作更顺畅，而加速剂可能污染氢的纯净度，不利氢的提供。

第三个问题是氢可作为能量的携带者而非能源。它必须从化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因为从其他能源到氢又回到能量的转换并非百分百有效）。

因为任何能源都有缺点，转换到氢会引起关于如何产生这种能源的政治决定。

最近有方法成功直接从太阳和水，透过金属的催化剂，产生了氢。这或能使从太

阳能转成氢有一个便宜、直接、清洁的途径。

1.3研究成果

中国在氢能汽车研发领域取得重大突破，已成功开发出氢能燃料电池汽车性能样车。

目前，国内在燃料电池发动机方面已取得大功率氢—空燃料电池组制备的关键技术，轿车用净输出30kW、客车用净输出60kW和100kW的燃料电池发动机，已在同济大学和清华大学燃料电池发动机测试基地分别通过了严格的测试并装车运行，燃料电池轿车已经累计运行4000多公里，燃料电池客车累计运行超过8000公里。

此前，以氢气为能源的燃料电池汽车被列入国家“863”计划，科技部投入1．2

亿元支持燃料电池汽车和相关技术的研发。

此外，国内研发的燃料电池汽车在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均得到较大提高。国内汽车企业还开发出100多种燃气汽车，在19个城市开展了推广应用；国内自主研发的纯电动汽车、混合动力汽车，也已开始示范运行。