氢燃料内燃机车与氢燃料电池车应用前景比较_尚明伟

第26卷第6期Vo l.26,No.6

滨州学院学报

Journal of Binzho u University

2010年12月Dec.,2010

氢燃料内燃机车与氢燃料电池车

应用前景比较

收稿日期:2010-09-25

基金项目:滨州学院科研基金项目(BZXY G1003)

第一作者简介:尚明伟(1981-),男,河南开封人,助教,硕士,主要从事氢燃料内燃机的燃烧与优化控制研究,E O mail:shang mingw ei415@163.co m.

尚明伟,崔 鹏,石爱平

(滨州学院自动化系,山东滨州256603)

摘 要:综述了国内外氢燃料内燃机车和氢燃料电池车的研究现状及发展趋势,并对二者的应用前景进行了比较.通过比较找出了二者的区别和联系,得出了氢燃料内燃机车是氢燃料电池车的过渡产品,氢燃料电池车是最终的发展方向这一结论. 关键词:氢燃料内燃机车;氢燃料电池车;应用前景比较

中图分类号:TK 91 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2010)06-0108-05

0 引言

当前,化石燃料(石油、煤、天然气等)日益枯竭,其价格也日益攀升,世界各国都开始实行能源多样化战略,加大新能源研发力度.而在各种新能源中,太阳能、风能不稳定,氢能源是目前最有可能实现实用的新能源.据相关调查显示,2004年至2008年,工业化国家在氢能领域的开发投入年均递增20.5%,各国对氢能实际利用的开发硕果累累,下一次工业革命的幻想也似乎越来越逼真[1].

氢能源具有资源丰富、来源多样、环保性高、可再生性强等优点,可以同时满足资源、环境和持续发展的要求,这是其他能源所不能比拟的.因此可以说,氢能是人类未来的能源[2].

氢作为车用能源有两种主流的转化方式.一种是以现有车用内燃机为基础的燃用氢的车用发动机;另一种是以质子交换方式的车用燃料电池发动机[3].近几年来随着技术的突破,氢燃料内燃机车和氢燃料电车都得到了迅速发展,一跃成为汽车行业注目的焦点,它们正在开启并引领一个新的汽车革命时代.

1 氢燃料内燃机

氢燃料汽车使用的是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料进行燃烧,产生动力的内燃机.氢燃料燃烧产物只有水和氮氧化物,不会产生颗粒、积碳等,从而大大减少了发动机的磨损,减轻了润滑油被污染的程度,可以认为是发动机最清洁的燃料.燃氢汽车不污染环境,是一种环境友好的绿色交通工具.国内外为此展开了技术竞赛,都想在这一领域独占鳌头.1.1 国外氢燃料内燃机车发展概况

国外对氢燃料内燃机车的研究起步比较早.早在19世纪中期,人们就开始对用氢来作为发动机的燃料发生兴趣.到20世纪初,该项研究取得一些进展.英国学者Ricardo 和Burstoll 第一次认真全面研究了氢发动机,两人用了20年对氢发动机的燃烧和工作过程进行了详细的研究[4].20世纪80年代以来,由于国际石油价格上涨,人们开始对氢内燃机投入更多的热情.日本、美国和德国等国家开展了大量的研究工作,其中以日本武藏工业大学与尼桑公司于1990年合作研制成功的/武藏汽车0

第6期尚明伟,崔鹏,石爱平氢燃料内燃机车与氢燃料电池车应用前景比较

液氢汽车为代表.

2001年以来,世界各大主要汽车制造商相继推出了自己豪华的氢燃料内燃机车,这使得氢燃料内燃机车的研究及应用步入了新的台阶.

福特于2001年推出了第一辆氢燃料内燃机试验车,在此后的多次车展中相继展出了多款氢燃料概念车.又于2006年推出面向客户的氢燃料内燃机车,这是一款氢燃料6.8LV10发动机,用于装备福特E-450氢燃料机场往返客车.这类客车旨在以后快速发送乘客,首先在佛罗里达州运行,然后在北美其他地区推广.同时,福特也正在开展下一代氢燃料内燃机的研究,包括提高功率和燃油经济性的直喷技术[5].

2007年3月份,从慕尼黑、布鲁塞尔和华盛顿传出令人振奋的消息.10个欧洲合作伙伴成功完成了氢燃料内燃机项目)))历经3年,实现对氢燃料内燃机的优化.该项目由欧盟委员会发起并推广,项目研发出一款氢燃料内燃机,这款发动机比其他驱动系统在性能和成本上更具鲜明优势.该项目由宝马集团研究和技术中心负责协调,提出两种燃气混合模式的概念,这两种模式已在乘用车和城市巴士的发动机上得到验证,必要的关键性部件也同时研发.同时,在氢燃烧过程中应用了相关模拟工具,用以支持以后生产的发动机开发进程[6].

2007年6月19日,宝马在北京召开了BM W氢能7系的发布会.宝马推出世界第一款供日常使用的氢动力豪华高性能轿车BM W氢能7系.BM W 氢能7系完美结合了氢技术及典型的BM W轿车的动态性能和驾驶表现,并展示了氢能驱动技术的巨大潜力,是宝马集团致力于未来世界个体机动性可持续发展的有力证明.这是宝马集团,乃至整个汽车与能源行业向不依赖矿物燃料的可持续机动化产业时代迈进的一个里程碑.

1.2国内氢燃料内燃机车发展概况

我国对氢燃料内燃机车的研究和开发起步比较晚,但是发展非常迅速.尤其是近年来,各高校、企业和科研院所关于氢燃料内燃机点火成功的捷报不断传出[7].

2006年1月,国内首台纯氢气内燃机在江奎科技有限公司实验室运行成功[8].2006年10月,北京理工大学攻克了综合电子控制、运行安全技术、氮氧排放控制等难关,成功开发出了具有超低排放的氢燃料内燃机样机,为我国氢能应用技术开辟了一个新的领域[9].2007年1月,由镇江江奎科技、清华大学、奇瑞汽车三方自主研发的/示范性氢燃料轿车研制项目0正式通过国家级专家组评审,标志着国内第1台以氢燃料为动力的国产轿车正式研制成功.专家组评审后认定:该项目攻克了目前国际上存在的三大技术难题,且具有完全自主知识产权[10].2007年6月18日,我国自主研制的第1台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功地实现点火.高效低排放氢内燃机是国家/8630计划唯一立项的氢燃料重点项目,它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术已经获得了突破性的进展,为氢内燃机的产业化奠定了基础.长安氢内燃机的成功点火,不仅标志着长安的氢内燃机技术已达到国际先进水平,长安汽车坚持自主创新又取得了新的成果更重要的是,长安氢内燃机的成功研发,将对中国汽车工业新能源的开发利用和中国节能环保事业的发展起到积极的推动与促进作用[11].

1.3氢燃料内燃机车应用前景

一是,从技术的角度来看,今后氢燃料发动机的研究与发展也将围绕燃烧机理进行.不同运转参数和结构参数下氢发动机的燃烧规律及它们对发动机性能的影响规律、异常燃烧机理及氮氧化物产生机理的研究仍是重要的研究内容.采用缸内喷射,特别是缸内高压喷射液氢的氢发动机是主要的研究对象.高压喷射氢燃料发动机的优点是不会发生回火、早燃,而且压缩比可提高至12~15,从而提高功率和改善热效率,且可以适用于大缸径发动机[12-17].关于高压直喷氢燃料技术最近两年有了技术上的改进.二是,从基础设施的角度,氢燃料内燃机车要想大规模的应用必须有强大的加氢站网络做支撑以及廉价的氢制取成本作保证.现在世界上已有十多个加氢站,我国首都北京已建成一座加氢站,上海的加氢站也已建成,但这远远不够.所以以后应该加大建设加氢站的力度和积极寻找新的廉价的能够大规模获取氢的制取方法.三是,车载贮存技术有待进一步突破.尽管氢燃料内燃机车距大规模应用,还有一段距离,但是其前景是非常诱人的.我们知道,氢能源经济是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一,氢燃料内燃机是实现

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氢能源经济的有效措施之一[6].

2氢燃料电池车

早在1839年,William Robent Gro ve爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理,能够从氢气和氧气中获取电能.但是由于氢气不能从自然界直接得到,所以燃料电池的发展就一直停滞不前.直到20世纪60年代,宇宙飞行的发展,才使燃料电池技术重又提到议事日程上来.对能保护环境的能源供应的需求,激发了人们对燃料电池技术的兴趣[18].

2.1国外氢燃料电池车发展概况

据2003年6月最新统计,目前世界上已经有20余家汽车公司90多种车型的燃料电池汽车问世.迄今为止推出的燃料电池汽车中,压缩氢气最受关注,这主要是因为这种车型的燃料供给在技术性上最为简单可行.各公司出产的FCV(燃料电池车)从续驶里程、最大时速,到燃油经济性,乃至储氢的压力等方面,都取得了较大进展,让人们对燃料电池汽车的未来充满信心[19].

目前日本、韩国和美国等发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目,企业界也纷纷斥以巨资,从事燃料电池技术的研究与开发,现在已取了许多重要成果,使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上[20].

2.2国内氢燃料电池车发展概况

我国的燃料电池研究始于1958年,经过近50年的积累与发展,已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍.尤其在PEMFC(质子交换膜燃料电池)方面,总体水平与先进国家的差距正在缩小.

2006年6月9日至12日,上海自主研发的燃料电池轿车/超越3号0参加了在法国巴黎举行的第8届必比登清洁能源汽车挑战赛,顺利通过全部比赛项目,取得了优异成绩,并且完成了120km的拉力赛.国际技术委员会(IT C)成员、法国汽车协会主席多奥先生在演讲中称赞说,尽管各国对于何时实现氢经济还有争论,但是燃料电池汽车的进步是十分明显的,特别是中国上海的燃料电池汽车技术,与世界上任何国家的燃料电池汽车技术没有差距,而且我们知道,这完全是他们自主开发的[21].

我国传统汽车工业发展滞后,发展燃料电池汽车是赶超世界汽车工业先进水平的唯一出路.目前主要汽车生产厂商都在抢占燃料电池汽车技术制高点和市场先机,我们要及时把握燃料电池技术与世界先进水平差距不大这一优势,只争朝夕,尽快将燃料电池汽车推向市场.我国政府无论从技术上还是从实用化方面,在推进绿色环保汽车方面都已做出了巨大努力和卓有成效的工作.但是,要使燃料电池走向市场,成为21世纪造福人民的一项宏伟工程,还应该仿效美日欧等国家的做法,在基础设施、税收政策等方面作进一步的工作.世界主要汽车厂商和能源公司在氢能方面投入巨资进行研发.与时俱进,不断创新,是一个企业生存和发展的不竭动力.PEMFC电动汽车在各类电动汽车发展中有明显的优势,应加强PEMFC发动机系统及其装车技术的研究.大批量制取氢气实用化技术对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义.从我国的实际看,利用剩余水电制氢和生物质能制氢是未来发展之路.燃料电池技术同样也可以把中国的汽车工业带向世界前列,为全面建设小康社会作出贡献[22].

2.3氢燃料电池车应用前景

氢燃料电池的优点是令人难以想象的,如果使纯氢气,它的生产产物只有水,无污染、无噪声、效率高、响应性好等.氢燃料电池不但在汽车上可作为汽车的绿色动力源,而且在工业上也可作为一个大型氢燃料发电站,前景是不言而喻的.整个氢能系统技术中的燃料电池,被加拿大著名科学家斯科特比喻为能源系统的/芯片0,即能源供应中起着重要的关键作用,它进而延伸至整个国民经济和社会发展,以及人民生活中起着不可或缺的重要作用[23].

近年来,燃料电池汽车的迅猛发展和商业化的推进席卷了整个世界,其高效节能,以及零排放或接近零排放的良好环境性能,使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点.随着国际各大汽车生产商和石油巨头的积极参与,从资金到技术的大力投入,燃料电池汽车已经走出实验室,开始商业化旅程.很多专家更是乐观地认为,燃料电池汽车将引发汽车工业的革命,最终取代传统内燃机车成为主流[19].

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第6期尚明伟,崔鹏,石爱平氢燃料内燃机车与氢燃料电池车应用前景比较

3氢燃料内燃机车与电池车比较

3.1氢燃料内燃机车与电池车的区别

燃料电池汽车的动力总成与普通内燃机汽车的动力总成完全不一致.作为汽车动力,燃料电池以其功率大、效率高和无污染等优点被认为是替代石油燃料发动机的理想解决方案之一.但其价格昂贵,使用不便,续驶里程及寿命有限,近期内很难达到实用化水平.相对而言,氢燃料发动机的实用化较易实现,对传统内燃机的结构做不大的改动就可以燃烧氢,而人类对内燃机的应用已有相当成熟的经验.此外,氢燃料用于汽车时性能优越,被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料[12].

3.2氢燃料内燃机车与电池车的联系

氢燃料发动机汽车和燃料电池汽车的研究均已经得到各国科学家和工程师的广泛关注.燃料电池电动汽车和氢燃料发动机汽车在车载氢源等方面的共性之处使二者的研究开发技术相互促进.因此,氢燃料汽车作为燃料电池电动汽车的过渡车型将被汽车制造商所青睐而率先进入市场,有着广阔的应用前景.

4结论

当前,随着汽车保有量的增加,传统化石燃料汽车的发展已经暴露出了一些问题,其中比较突出的是化石燃料储量不足问题和环境污染加重问题.在这种情景下就要积极寻找一种既要环保又要储量丰富的替代能源.大量研究和事实经证明,氢能源就是这样一种很好的替代产品.鉴于此,世界上主要汽车大国都已投入了大量的人力和财力进行车用氢能源的研究和开发.氢燃料内燃机车和氢燃料电池车是目前车用氢能源的两种主要形式.

从社会的发展趋势来看,在氢燃料内燃机车和氢燃料电池车这两者中,氢燃料电池车将是最终的发展方向.但是就目前而言,由于氢燃料内燃机自身的一些特性:有良好的生产、使用基础和技术上的成熟经验,并且造价低廉,氢燃料内燃机车具有很强的竞争力.氢燃料内燃机车在将来一段时间作为氢燃料电池车的过渡产品是一个相当可行的方案.

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The Comparison about Application Prospects between Hydrogen O fueled

IC Engine Cars and Hydrogen O fueled Cell Cars

SH ANG M ing O w ei,CU I Peng,SH I Ai O ping

(Dep artment of A utomation,Binz hou Univer sity,Binz hou256603,China)

Abstract:This paper summ ar ized the study status quo and development trend betw een hy dro gen O fu-eled IC engine cars and hy drog en O fueled cell cars at hom e and abroad,and made a co mpar ison abo ut their application pro spects.Accor ding to the com pariso n,the author found o ut the differ ence and co nnectio n a-bout them.Finally,it is co ncluded that hydrog en O fueled IC eng ine cars is the transition pr oduct o f hydro-g en O fueled cell cars,and hydrog en O fueled cell cars is the final dev elo pm ent direction about eng ine in the future.

Key words:hy dro gen O fueled IC engine cars;hy dro gen O fueled cell car s;application prospects com par-i son

(责任编辑:贾晶晶)