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第22章 作为燃料的氢能(2)

知识点

常用的火箭发动机燃料

火箭的发动机需要极端快速的化学反应来产生巨大的能量,推动火箭做功克服地球的引力。火箭的发动机在类型有固体火箭发动机和液体火箭发动机,因而燃料有固体和液体两大类。固体燃料推进剂可分为双基推进剂(主要由硝化棉和硝酸酯类增塑剂如硝化甘油等组成)和复合推进剂(主要由可燃剂——粘结剂如聚氨基甲酸酯、聚硫橡胶、聚丁二烯等和氧化剂如硝酸铵、高氯酸铵等组成)。液体燃料推进剂由可燃剂(如液氢、胺类、硼烷、石油产品等)和氧化剂(如液氧、液氟、过氧化氢、发烟硝酸、四氧化二氮、四硝基甲烷等)组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室,经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物,以高速从喷管中冲出而产生巨大的推力,完成发射与飞行。

引人关注的微型燃料电池

燃料电池神通广大,在许多方面都发挥着不可替代的作用。作为燃料,不但为航天、航空和航海领域提供动力,还广泛应用于汽车领域,使它的魅力得到充分的施展。

此外,燃料电池还可用于发电,与传统的矿物燃料相比,它所具有的高效和低排放量的突出优点极大地吸引了用户。此外,燃料电池技术对于那些电网无法覆盖或电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言,这种能源具有非常重要的意义。燃料电池用于燃料和发电方面的内容在前面已涉及,下面我们简单介绍一下它在便携式电子产品电源方面的应用。

手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品的逐步普及,使得外观紧凑、重量轻及功率强的电池产生大量需求。日本NEC和东芝公司在微型燃料电池方面的技术突破大大地激发了人们的兴趣,因此,便携式电子微型燃料电池引起人们的广泛关注。

近些年,微型燃料电池的研究取得了一定的进展。随着技术探索的不断深入,微型燃料电池的市场将会十分广泛。据预测,到2010年,市场上将有2亿颗微型燃料电池提供给笔记本电脑、手机、数码相机以及数码摄像机。

笔记本电脑电源

早在2003年日本东芝公司就宣布,世界首块用于笔记本电脑可以取代锂电池的燃料电池(DMFC)开发成功。这种电池可以跟电脑直接连接,尺寸为275毫米×75毫米×40毫米,质量为900克,功率最大20瓦,最小12瓦,电压11伏,通过更换燃料块获得电力。燃料块有两种型号,50毫升(33毫米×65毫米×35毫米)和100毫升(50毫米×65毫米×35毫米),50毫升的燃料能够提供5小时的电力。以后,这种电池将有可能取代现在需要繁琐充电的锂电池。

NEC推出的原型机笔记本电脑带内置燃料电池,它输出功率平均为14瓦,最大输出24瓦。内置燃料电池是通过提供燃料电池功率和外设技术而开发的。该燃料电池工作电压12伏,工作时间5小时,质量900克。

手机电源

手机燃料电池的研发领域正在进行一场激烈的角逐,可谓群雄争霸,精彩异常。

日本东芝公司2003年10月3日宣布开发出一种可用于手机和小型信息终端的燃料电池,这种电池的大小像手掌一样,输出的电能却是现在手机用的锂电池的6倍。根据该公司提供的资料,这种燃料电池长10厘米,宽6厘米,厚3厘米,重130克,发电用的原料为高浓度甲醇,功率为1瓦,可发电20小时。东芝公司研究人员在控制燃料箱上下工夫,用特有的技术改良输送溶液和空气的泵,使燃料电池实现了小型化。

摩托罗拉公司2002年5月表示该公司研究人员已经成功开发出使用甲烷气体的燃料电池,摩托罗拉表示,该产品尺寸为2英寸×4英寸×05英寸(1英寸≈254厘米)(宽度、高度、厚度),比一颗手机电池稍大,可提供手机长达1个月的使用电力。

知识点

困扰微型燃料电池发展的因素

高昂的成本、复杂的设计以及燃料问题一直困扰着微型燃料电池的发展,但是大量研究人员很快就提出了解决方案。美国一家研究机构在一份研究报告“全球在微型燃料电池技术领域的进展”中调查了微型燃料电池的商业化应用技术。

该项研究指出了微型燃料电池的潜能,与传统电池相比,单位体积和重量的微型燃料电池可提供更多的能量。这就激励了设计工程师开始考虑将微型燃料电池用于便携式应用。主要的挑战将是如何为便携式应用找到最适当的技术和燃料电池配置。

氢能汽车

伟大的预言

汽车工业是拉动国民经济发展的支柱产业,然而它在给社会带来巨大经济效益的同时,也造成了严重的环境污染和石油资源的匮乏。因此,环境污染的加重和燃料资源的日益减少就成了21世纪汽车工业迫切需要解决的问题。在这种情况下,氢能汽车无疑是最佳的选择。

约150年前,法国科幻作家凡尔纳曾经预言,有朝一日人类会出现以氢为动力能源的燃料电池汽车。氢是宇宙中最丰富的元素,它在燃料电池中与氧发生化学反应,产生电能驱动汽车,氢在燃烧时排放的尾气基本上是新鲜的蒸汽。如今,这个预言已变成现实。汽车工业既是拉动国民经济发展的支柱产业,也是高耗能、高排放导致环境污染的重点所在,比如大量排放二氧化碳所造成的温室效应。随着全球气候变暖及石油资源逐渐枯竭,生产更环保、更省油的新能源汽车成为汽车工业发展的趋势。清洁能源时代将是继亨利·福特的流水线生产和丰田喜一郎的精益生产模式之后世界汽车的第三次革命。

氢能汽车是以氢为主要能量移动的汽车。一般的内燃机通常注入柴油或汽油,而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;而质子可以通过质子交换膜与氧化合成纯净的水雾排出,这样有效地减少了其他燃油汽车造成的空气污染问题。除此之外,我们知道,能源从来就是个问题,近年来,国际上以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得了重大突破,而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。

近些年,燃料电池汽车的研发规模之大及商业化步伐之快有目共睹,世界上主要汽车制造厂家和燃料电池公司几乎无不加入到这场竞争中,其发展之迅速、竞争之激烈令世人瞩目。早在1965年,外国的科学家们就已经设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地制造出第一辆氢能汽车,可乘坐12人,储存氢材料90千克。开发新能源汽车不仅是国际汽车大公司的企业行为,更是列入发达国家重要决策事项,形成国家、产业、科研和大学联合创新系统。在汽车新能源长期的研究开发中,对汽车新动力的发展趋势达成了共识:早期目标是开发传统内燃机新技术和替代燃料汽车;中期目标是研制混合动力汽车以大幅度降低油耗和排放;远期目标是研制实用的电动汽车和燃料电池汽车,以资源极其丰富且完全没有污染的氢动力燃料电池为动力重新定义汽车。燃料电池汽车技术在美国、日本及欧洲等发达国家和地区兴起,并构建了这种汽车的广阔消费市场。但从燃料电池汽车的本质而言,发展中国家和地区对此也有强劲的需求,而我国就是推广应用燃料电池汽车比较理想的场所之一。

氢能汽车的应用类型

在质子交换膜燃料电池发电机研究中的一个问题是现在生产的汽车类型数目较多。从小的轮椅车到大的拖货车,每种类型都需要一个性能优良的专门动力。因此,燃料电池发动机必须为每种类型的汽车设计相应的型号,这些只是在转化时期所用的汽车产品。随着氢气燃料分布在下层结构中的增长,燃料电池使用方法引入的舒心程度是另一个问题。这个问题的关键是补给燃料种类的市场研究。

(1)汽车。轻型车,用于个人出行。如私人轿车、出租车、摩托车和租赁车。

(2)篷车。轻型车,用于当地的人员、设备和食品的运送。如机场豪华大轿车、救护车、邮政车和维修车等。

(3)公共汽车。重型车,用于人们的运输。如校车、城市与城市之间的穿梭客车和拖车等。

(4)卡车。重型车,用于重货物和材料的运输。如钻探车、拖货车、水泥混凝土车、移动篷车和筑路工程车。

氢能汽车——马自达RX—8 Hydrogen RE

当燃料输送和分布设备发展起来的时候,氢燃料电池车将会有大量的产品出来,这个时间顺序在很大程度上依赖于早期对补给燃料中心分布的关注。很明显,最早对这种车的大订单需求将是车队,这些车队将会在补给燃料便利并能通宵补给的地方出现,在固定的日常工作时间用作当地的旅游。这只是在世界上大约15个城市中用于公共汽车示范计划的部分内容。虽然目前用于家庭车库给客用车补给燃料的单个电解单元已经存在,但是当地行驶的限制使这种客用车早期的市场前景缺少吸引力。

氢能汽车的商业生存能力在于燃料电池发动机产品能成功竞争过内燃机。生存能力也需要有成熟的全自动机械组装工艺。将燃料电池堆整合成燃料电池发动机,其中含有燃料传递系统,需要使车辆类型的空间和质量限制合理。

通用汽车公司推出一款燃料电池新概念车——“自主氢燃料电池车”,它所有的推进系统(氢气燃料、燃料电池、热交换器、电子打火、发动机、悬浮系统、方向系统和闸)都在地盘里(称作一块滑水板)。它将以一流车(如私家轿车、运动车等)的档次去卖。目标是使燃料电池车外观设计合理、切实有效,这样燃料电池在寿命、性能和成本上都比目前的内燃机有竞争力。

燃料电池车最可能马上普及使用的是公共汽车。公共汽车有之前提到的当地服务优势,它有中心补给燃料的地方,有储存大量供日常消耗的氢气燃料和有充足的大型燃料电池堆存放的空间。在北美、欧洲和澳大利亚等地区和国家中,15个以上的城市有大约40辆高级工艺版本的燃料电池车正在进行示范。

知识点

加氢设施与普通加油站设施的区别

加氢设施与普通加油站内的设施没有太大区别,加氢过程与一般汽油车加油类似。加氢站面积比一般加油站大,由氢气分离厂和加气台两部分组成。氢气分离厂内设有氢气分离罐,工程人员向罐内输入水,在电力的作用下,水便分离成氢气和氧气。分离出的氧气通过管道向空中释放,同时将氢气收集在密封压力罐内加压、储存,再通过高压管道为氢汽车加氢。

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