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[信息] 氢混燃引擎

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发表于 2008-12-8 09:30:52 | 显示全部楼层

氢混燃引擎



  最后, 我们得来谈谈氢从哪裡来, 我们该去哪裡找那麽多的氢气给燃料电池使用, 好提供电力来推动汽车前进!

  氢是週期表中第一个元素, 其原子序数为1, 相对原子质量为1.008;在标准状态下, 它的密度为0.0899 g / l,是已知所有元素中, 最轻的一个. 氢常温常压下为气态; 但是在一标准大气压下, 氢气在摄氏零下252.77度时, 会变成无色的液体;在摄氏零下259.2度时, 能变成雪花状的白色的固体; 若将压力增大到数百个大气压, 分子固体氢就有可能变为金属氢; 甚至在一定条件下,金属氢可转变为超导体.

  氢是宇宙中最丰富的元素, 据估计构成宇宙物质的元素中, 百分之八十以上是氢. 氢由于受到太阳等恆星的吸引, 因而聚集到恆星上, 后来氢发生核聚变而转成为氦, 成为太阳等恆星的能量来源.

  在地球上, 除空气中含有氢气外, 其他主要是以化合物的形式存在, 最多的是贮存于水中; 水的质量中九分之一是氢, 海洋的总体积约为13.7亿立方公里, 因此若将海水中的氢全部提炼, 所产生的总热量, 是地球上矿物燃料之总和的9,000 倍!

  氢可由电解水生成, 也可使用热化学方法从化石燃料製取, 最近能源界也积极发展可再生能源製氢的技术. 目前, 全球大部分的氢, 主要还是透过天然气, 石油和煤等石化燃料来产制; 每年全球的氢产量约五千万吨, 并且以每年百分之六到七的速度在持续增加 !

  水电解製造氢气是一种传统的, 而且成熟的製造氢气的方法! 他的製造设备很简单, 只要将两个电极, 浸泡在电解液中, 中间插入隔离氢, 氧气体的隔膜就完成了电解池了. 然后当直流电通过两个电极, 电解液中的水就会分解成氢气和氧气.

  整个生产流程很乾淨, 无污染, 而且他的转换效率很高, 一般都在百分之七十五到八十五左右; 但是电量消耗很大, 每生产一立方公尺的氢气,必须消耗电力达4.5~5.5kW / h左右, 电费支出佔整个生产费用比重达到百分之八十. 如果拿来和从石化燃料提炼氢气的方法来比较,并不具有经济上的竞争力, 所以水电解製氢佔全球氢气生产比重, 不到百分之五.

  水电解製氢的独特优点:

  不过, 水电解製氢还是有他的独特优点, 例如生产出来的氢气纯度高, 还有生产规模可大可小, 投资规模可依照需要来规划. 此外, 对于水力,风力, 太阳能资源丰富的地区, 或者是城市用电峰、谷落差很大的电网, 水电解制氢就是很好的选择! 可以将多馀没有用到的电能,转换成氢能的型式储存, 留到需要用的时候再使用.

  水电解製氢的方法:

  *重水电解製氢法

  另一方面, 能源科学家也积极的开发各种更经济, 更省能的水电解製氢的方法, 例如更换不同的电解液!相对于传统採用氢氧化钠和氢氧化钾的硷性水溶液作为电解液, 有些工厂则使用纯度大于百分之九十九的重水来作为电解液, 被称为重水电解製氢法;这样的生产製程的优点是除了氢气之外, 还可以生产出高纯度的氘气, 氘气可以应用在光导纤维材料的製造, 核医学, 製药和控制核聚变反应,也是很重要的军用材料, 例如中子弹.

  *煤水电解製氢

  此外, 使用煤水电解製氢, 也是另一种选择, 这种製程使用加了煤粉或其他含碳物质的煤水浆作为电解液, 可以有效的节省电解耗能达到百分之五十以上! 他的缺点主要是除了氢气之外, 还会产出大量的二氧化碳, 而不是氧气, 对于环保有相当的压力.

  *高温热解水製氢

  另一方面, 高温热解水製氢和热化学製氢则是目前深受期望的水解产氢製程; 有关高温热解水製氢, 其核心理论简单来说,就是将水直接加热到超过摄氏3,000度以上, 部分水蒸气就会分解成氢和氧; 他的困难度在于操作的温度太高, 热能来源是重要的大问题,其中核聚变产生的热, 以及太阳能热系统, 则是被期待的可能解决方桉.

  热化学製氢:

  另外,热化学製氢和高温热解水製氢的生产流程最大的不同点在于, 热化学製氢是利用一连串不同, 但是又相互关联的化学反应,最后将水分解成为氢和氧气的系统. 他的优点是, 在製氢流程中, 只会消耗水和一定热量, 期馀各种添加元素和化合物, 都不会损失,是非常好的封闭循环系统.

  只不过由于热化学製氢的每个化学反应製程,都必须在高达摄氏1,073~1,273度的高温下进行, 热能所需虽比高温热解水製氢的製程低, 但还是个麻烦点. 不过,新一代的核***用高温冷气反应堆, 他产出的氦气出口温度高达摄氏900度, 很适合整合热化学製氢厂一起设立.

  另外, 太阳能塔式集热器透过反射镜直接追踪太阳, 将反射光精确投射在集能器, 将光能转变成热能, 加热水或是其他介质产生蒸气. 目前, 这样的太阳集热技术, 已经可以产生摄氏600~1200度的高压热蒸气, 可以提供热化学製氢系统来使用.

  热化学法, 从化石能源製氢:

  前面提过, 目前世界上百分之九十以上使用的氢气, 主要是以天然气( 甲烷 ), 煤炭( 焦化或汽化 ) 和石油( 甲醇, 乙醇,氢质油和重油 )当作原料, 在高温下与水蒸气发生化学反应, 来产製氢气; 这样生产方法, 在製程上都相对成熟. 现在大部分生产出来的氢气,主要使用在化工、化肥和冶金工业; 例如烃的加氢、精练重油、氨的合成与製造甲醇等; 另外, 台湾早期居民使用的煤气燃料, 其中就含有不少的氢气.

  *烃类分解生成碳黑和氢气

  当然, 还有一些特殊的产氢製程已被开发出来; 例如,烃类分解生成碳黑和氢气的製氢方法, 透过热裂解或等离子体法, 除了可以从烃类分子得到氢气外, 还可以生产碳黑, 用作橡胶和印刷工业等需要,另外还有一个优点是, 这种製程不会产生二氧化碳, 造成污染.

  除此之外, 也可将硫化氢分解, 来产製氢气; 或者只透过新型氧化物材料, 如铁改性稀土高氧化物, 配合甲烷和水蒸气交换, 在相对低温摄氏300~700度下产製氢气; 另外硼氢化钠在硷性水溶液中, 也可水解成为氢气和水溶性亚硼酸钠.

  至于, 日本能源科学家, 利用核燃料储存设施中, 产生的γ射线, 照射辐射性催化剂, 或是利用萤光物质, 将γ射线转变为紫外线,然后照射光催化剂, 将水分解为氢气和氧气; 另外, 美国科学家则将频率为600Hz的交流电, 输入鼓型空腔谐振器,让谐振器中的水分子产生共振, ***成氢和氧; 因为这种方法的能源转换率很高, 可能高达百分之九十以上, 因而电子共振裂解水的製程深受期待.

  在实际应用方面, 有些人认为, 可以利用城市中现成的天然气输送管, 然后在天然气产区, 或者港口附近设立大型天然气( 甲烷 )製氢工厂, 将产製的氢气, 利用现成的天然气输送网, 送到城市的氢气加气站, 或是居民家中的燃料电池发电机使用;

  另外也可以考虑直接将中小型的天然气製氢系统( 如製氢重整器 ), 安装在地区型燃料电池发电站或居民家中, 透过输送网, 直接将天然气(或是甲烷、丙烷、煤气和石油气, 也可以使用甲醇、乙醇 )直接送进各地的製氢重整器来产氢, 供应燃料电池来使用. 其中日本大坂瓦斯公司,就已经开发出相关应用, 正在测试改良中.

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  经过 170 年的发展, 人类开发出的燃料电池已经有很多种, 其中依照燃料电池所使用的电解质, 我们可以将燃料电池区分为:

  lPEMFC质子交换膜燃料电池, 以质子交换膜作为电解质;

  lAFC硷性燃料电池, 通常用氢氧化钾或氢氧化钠作为电解质.;

  lPAFC磷酸燃料电池, 电解质採用由碳化硅和聚四氟乙烯作成的微孔隔膜, 浸泡浓盐酸製成;

  lMCFC熔融碳酸盐燃料电池, 和其他燃料电池最大不同点是, 他的发电过程中在阳极区氢气会被氧化产生二氧化碳, 而在阴极区则会消耗二氧化碳, 而他的电解质是熔融的碳酸盐.;

  lSOFC固体氧化物燃料电池, 採用一种主成分为氧化锆, 同时含有少量的氧化钙与氧化钇的固态离子传导陶瓷作为固体电解质;由于SOFC可以适用多种燃料, 包括甲烷, 天然气, 煤气, 甲醇与氢, 同时也不必使用昂贵的贵金属白金作为电池之催化剂, 成本较低,所以SOFC固体氧化物燃料电池, 被认为是最具发展前途的燃料电池!

  不过因为SOFC的操作温度最高可达1000℃, 所以, 如何有效降低他的工作温度, 就是燃料电池汽车动力系统研发工程师, 目前必须克服的挑战!

  如果以操作温度来区分, 质子交换膜燃料电池、硷性燃料电池、直接甲醇燃料电池与磷酸燃料电池都属于低温型, 操作温度在摄氏 60 ~ 220 度之间; 而熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池则是中高温型, 操作温度在摄氏 400 ~ 1,000 度之间.
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