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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