氢气过滤研究现状及其在汽车领域的应用

氢气过滤研究现状及其在汽车领域的应用

虢庆祥 赵强 崔旭升

潍柴动力股份有限公司 261061

摘要：随着化石燃料的使用量逐渐增加，但由于地球温室效应所带来的反常天气，如海水气温增加，以及地球沙漠化、飓风等将更令人担忧，预计二零五零年化石燃料的需求量将猛增至目前的一点五倍以上，且作为工业主要燃料的原油生产已接近历史最高峰，同时全球的原油价格将受经济危机因素和原油产区的国家资源保护主义政策等原因的制约而不断增加，全球正以少碳，脱碳为主要目标，积极寻求持久的绿色生态再生能源。使用由太阳光等天然能量和水生成并用的氢能，因其周而复始永远可被循环使用，且来源广阔，对地球环境生态良好，可以很好地取代传统化石燃料作为汽油等工业产品未来最主要的替代燃料，并有着非常广阔的市场^【4】。它的研究与运用，对于人类经济社会的可持续发展有着重要意义。

关键词：氢气；汽车；应用；过滤；

氢能是一种非常环保的能源，它不同于煤炭、石油、天然气等不可再生能源。氢能具有能量密度高、重量轻、使用范围广等优点。目前，氢能主要开发为氢燃料汽车电池，但尚未广泛应用于人们日常生活的各个方面。要使这种环保的新能源覆盖我们生活的方方面面，取代传统的不可再生能源，就必须将氢能与其他能源消费产品相结合，开发氢能更多的使用功能。氢能源是 一种新型清洁能源载体，当氢能源发生燃烧反应时，产生的产物主要是液 态水或气态水。对环境生态起到了很好的作用，并且可以替代传统的化石燃料，成为未来汽油等汽车行业的主要替代燃料，因此有着非常广阔的市场^[1]。它的研究和应用对人类经济和社会的可持续发展具有重要意义。

一、研究现状
1.由美国以相对低廉的制造费用，生产能够达到欧洲LEV-ⅱ排放标准的汽车，经过了将近些年的工作，也获得了实质性的结果。经过测试考核，由Ford公司所研制的H. I. C.E在不使用任何催化转换装置的状况下，尾气排放HC和 CO很低都接近于零，而NOx的排放量却非常低，甚至全部发动机危害物排放量都超过了LEV-o污染国家标准；H. I. C.E的(14~15)B1,A/F（空燃比）已经达到现代汽油机的水准，但热效率比现在的汽油机高出百分之十五左右，并可能增加到百分之二十五；由于H. I. C.E引入了稀薄燃煤工艺技术，有效减少了发电机的最大引燃高温，进而使NOx的总排放量超过了极低的程度。《可再生能源法》已经于2006年元旦实施。在研究替换能源过程中，世界各个国家车用能源的研发重点与核心是在汽车行业中应用氢能源。氢能的优点是其他能源不可超越的，包括高热值，燃烧氢气的放热量为11061kJ/kg，甲烷则为50054kJ/kg，汽油热值是44467kJ/kg，乙醇是7006kJ/kg；氢气燃烧没有任何污染性，与氧气作用后能够促进水的生成，作用过程中同样不污染环境；具有可再生特点，广泛来源，化石燃料、生物质、水中都含有大量氢或氢源。

二、氢气过滤研究特点及发展趋势
（一）氢气过滤的研究特点

氢是一种重要的工业原料，更是一种清洁能源，具有清洁环保、储能高效、应用丰富等多个特点。

1.氢能是制取方式多样、清洁环保的二次能源

氢的制取方式多种多样，目前国内的制取方式主要有：煤制氢、甲醇制氢、天然气制氢、工业副产制氢、炼厂气制氢、电解水制氢、焦炉煤气制氢等。氢经过化学反应直接转化成电能和水，没有污染物的排放，比汽油、柴油等化石资源更清洁更环保。

2.氢能是非常棒的能源互联介质

电力、热力、液体燃料等能源之间的转化需要氢能作为转化介质，是目前唯一能实现各种能源转化和优化的途径。当前主要的能源体系是电网、热网和油气管网，氢能借助燃料电池技术可以进行不同能源之间的转化，还可以把化石燃料与再生能源转化成热力和电力，逆反应产生的氢燃料可以替代化石燃料，可以进行能源储存，因此氢能可以轻松地在各种能源之间进行转化，是非常理想的能源互联介质。
（二）氢气过滤的发展趋势

氢能作为一种二次能源，只能通过人工制备才能获得。因此，要想开发氢能，就必须开发相应的制备技术。目前，常见的制氢方法有水分解法、碳化氢和物质分解法、自然资源制氢法、微生物制氢法等。但是，这些方法和技术并不能使新能源得到广泛的应用，因为制造成本太高，产出规模相对较低。目前，最常见的制氢方法是利用化石燃料制氢，但这种方法效率低，而且制氢过程伴随着其他化石能源的消耗，对环境造成很大的污染，一般都很差。因此，目前各国都把电解水制氢定为主要攻击方向。然而，由于相关技术水平还不成熟，目前效率似乎还很低。生物制氢的前景也比较大，但成本比较高，需要平衡。

2.存储技术

在技术突破方面，一方面是制氢，另一方面是储氢。要想方便地利用新能源，就必须开发高效的储氢技术。目前，世界各国已开发出多种储氢方法，如高压储氢、低温液氢、储氢合金等。然而，这些方法都有自己的优点和缺点。目前还没有一种完美的储氢方法。此外，如果我们想要氢能在未来的日常应用中得到充分的应用，我们必须考虑多种储氢方法来提高其灵活性。然而，从新型汽车动力源的角度来看，纳米管储氢可能是最有潜力的储氢方法。

3.氢能是可以大规模应用的储能资源

随着石油、煤等不可再生资源的持续减少以及可再生资源渗透率的不断提升，随着社会发展对各种资源的需求量日渐加大，储能在能源系统中的作用与日俱增。电能、热能不能满足大容量、长周期的储能需求，而氢能可以轻松实现电能和热能大容量、长周期的存储需求，对未来可再生能源体系的稳定运行提供了强有力的保障^[2]。

二、氢气过滤的研究

以某化工厂膜提纯技术的应用为例，聚丙烯装置进行氢气提纯，采用重整氢，电解制氢。整个电解过程在重整环节都会出现问题。针对这些问题，应用膜提纯技术，不仅能使聚丙烯装置运行稳定，而且能提高氢气质量，从而降低提纯成本，提纯工艺体现绿色环保的特点。

1.膜提纯技术应用价值分析

膜提纯技术在制氢中的应用，将提高聚丙烯装置制氢的精度和制氢效率。与原来的提纯方法相比，聚丙烯装置的使用降低了提纯过程中的能耗。对于电解环节使用的电能，采用传统方法，电流消耗为4500A。目前膜提纯技术的消耗为500A。在单位时间内，膜提纯技术在聚丙烯装置上的应用将节省更多的电能。

在化工企业的氢提纯过程中，连续重整装置产生的一部分氢用作柴油的外氢，剩余的氢可以被有效保留。在传统的提纯方法中，将氢气用于柴油外氢后，剩余的氢气作为火炬燃烧的能量，但火炬燃烧会产生严重的浪费。在提氢过程中，许多化工企业都会广泛使用聚丙烯装置，并采用膜提纯技术与聚丙烯装置有效对接，既能满足聚丙烯装置的生产需求，又能提高装置的生产效率。

二、氢气膜提纯工艺
聚丙烯装置采用膜提纯技术。聚丙烯装置与多种设备一起提纯，一是过滤器、二是换热器、三是膜分离器、四是脱酸气体塔、五是脱水塔，上述设备将依次提纯氢气。氢气进入过滤器后，将汽油和氢气中所含的大直径颗粒分开，进入热交换器。换热器的温度保持在45℃以内。加热后的氢气进入膜分离设备完成初步提纯，最后进行脱硫、脱氯、脱水，从而得到纯度较高的氢气。获得氢气后，利用火炬系统在聚丙烯装置尾部进行燃烧检测，根据燃烧条件判断氢气是否满足要求。

在氢提纯过程中，化工企业制定提纯设计，将氢中各组分的数据进行详细标注。提纯后，将实际测量的含量与计划中标注的数据进行比较。实际测量数据满足氢提纯的要求，并将氢中的水分经脱水塔有效处理，达到氢的使用标准。

3.氢气膜提纯应用过程
3.1重整来氢气组成

在应用环节，测定重整来氢气组成成分，以实测数据作为参考依据，该化工厂分别进行七次提纯实验，在每次实验中，氢气的纯度均超过96%，氢气中的其他成分含量，多数低于1%，如氢气中的甲烷含量在0.82-0.88%范围内，甲烷含量较低，满足氢气的提纯要求。在对氢气中的含水量进行分析时，由于氢气中的含水量较高，将氢气转入至脱水塔中，经过脱水塔的处理，会使氢气中的含水量降低。3.2调试数据

在聚丙烯装置氢气提纯过程中，膜提纯技术的应用要求企业加强温度调节。经过温度调节过程，确定合适的温度进行氢气提纯，企业已经在不同温度下进行试验，在实验中获取较多的数据。在温度调节过程中，聚丙烯装置的温度分别设定为15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃和45℃。在15℃，改革后的氢气的纯度是94.95，提纯氢气的纯度是95.87，在0℃，改革后的氢气的纯度是94.6，提纯氢气的纯度是95.7，在25℃，改革后的氢气的纯度是93.提纯氢气的纯度是94.34，在30℃，改革后的氢气的纯度是94.86，在35℃条件下，重整氢的纯度为94.68，纯化后的纯度为97.0。在40℃条件下，重整氢的纯度为94.7，纯化后的纯度为97.70。在45℃下，重整氢的纯度为95.1，纯化后的纯度为98.3。根据以上数据的变化可以发现，随着温度的升高，聚丙烯装置的提纯能力不断提高，在45℃时达到提纯能力较高。
3应用情况
3.11PK706前后氢气组成对比
聚丙烯装置调试完毕后，根据调试条件进行氢气提纯。在提纯过程中，在pk706中不进行电解氢提纯。整个机组运行过程相对稳定。测量纯化氢气后，氢气纯度满足生产要求，聚丙烯装置运行方式无需调整。与PI771装置相比，聚丙烯装置在膜入口压力设定为1.78MPa，入膜气体温度设定为45℃，膜后压力为0.508MPa，膜后请气量为每小时103立方米。基于上述条件进行氢气提纯，在提纯后的氢气进行检测时，氢气的纯度均超过98%，表明聚丙烯装置通过应用膜提纯技术后，提纯后的氢气满足使用需求。
2.2氢调敏感性分析
在氢气提纯过程中，化工厂在聚丙烯装置中添加催化剂。催化剂型号为CS-2-B催化剂负载为20吨/小时，能有效满足氢提纯的要求。聚丙烯装置采用电解法，并与重整膜提纯法进行比较，主要用于氢浓度的比较。电解得到的氢浓度变化不明显，电解反应对氢的敏感性较低。在重整膜提纯技术下，氢气调节的敏感性较强。由于氢的灵敏度不同，提高灵敏度将提高氢纯化的准确性。

3.3.主催化剂消耗情况分析

聚丙烯装置的负荷设定为每小时20吨。选用两种来源的氢气，型号为R201的氢气，使用电解方法获取的氢气纯度，在410-555范围内，使用膜提纯技术获取的氢气纯度，在427-593范围内。使用型号为R202的氢气，使用电解方法获取的氢气纯度，在815-855范围内，使用膜提纯技术获取的氢气纯度，在820-870范围内。通过对比两种型号的氢气，R201型号的氢气，使用膜提纯技术会获得较高的纯度。在上述氢提纯工艺中，将主催化剂添加到两个装置中。催化剂的主要成分是钛。膜提纯技术作为一种具有催化功能的金属，在消耗相同的催化剂含量后，单位时间产氢量会增加到0.015，电解法单位时间产氢量会增加到0.014。在相同的模型、相同的催化剂用量的作用下，采用不同的方法提纯氢气对氢气的纯度没有明显的影响。在后续的氢提纯工艺中，不需要在装置中添加催化剂，可以降低整个提纯工艺的成本。

三. 氢气过滤在汽车领域的应用

1.质子膜燃料电池电动汽车的新发展趋势

自一九九三年，英国Ballard集团顺利开发了当今世界上首台质子互换膜动力电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）的公共汽车，一九九四年Daimler-Benz集团顺利推出全球首台质子互换膜燃料电池汽车以来，在短短的5~6年间中，汽车用质子互换膜动力电池的综合性能又有了新的改善与提升。身为美国Ballard集团车用PEMFC的主要合作者，德国Daimler-Chrysler有限公司先后研制出了PEMFC小车、微型面包车(Necar1,2,3,4)。通常，电池被视为有很大的能源转换利用率和功率密度，同时氢氧电池还具备环境无污染的优点。目前，包括丰田、本田、通用、戴姆勒－奔驰、大众等全球主要的汽车厂商，均投资了大批资本与科技力量进行燃料电池汽车的研究，并获得了一定的成绩。

2008年4月，日本丰田在北京国际汽车博览会上公开展示了其FCHV adv零排放氢燃料电池汽车。车辆最高时速达到155公里/小时，每次充氢行驶里程达到510英里（相当于830公里），大大超过普通汽油车的技术标准。加氢只需3分钟，基本达到了普通汽油车的技术标准。中国本田汽车有限公司也开始从中国引进fcx clarity租赁车辆。该企业估计，三年内汽车租赁销售额预计将达到200辆fcx左右。美国通用汽车公司目前已研制出了一百多部电池车，近年来的重点成果有鸿烨－wire线传控电池车、氢动三号（HydroGen3）电池车、Sequel氢电池车。该企业原打算于二零一零年产品设计出具备很强竞争性的动力电池推进体系，并打算于二零一五年将自己的动力电池车产业化。

二零零九年六月在冰岛修建了五百六十km的氢能公路^【3】，沿线有七个加氢站为氢能车辆服务。二零零九年五月在美国加利福尼亚进行的历时9天、全长两千七百km以上的国际氢燃料电池汽车拉力赛，共途经全国二十八个省市；二零零八年的首次长距离演示，历时十三天。目前，大部分厂家均预计氢燃料电池汽车将在二零一五－二零二零年完成商品化。

中国首台氢燃料电池轿车于一九九九年底展示成功，其电池由中国民营企业北京富源集团生产供应。十五时期，中国国家科技部增加了对电池研发项目的资金支持，仅对燃料电池汽车项目，国家科技部就补贴了三点八亿多元人民币，连同中国科学院、世界自然基金理事会、地区科技局、国家和民营企业的资助项目等，预计将带动近二十多亿元人民币。到目前为止，中国已自主研制出了燃料电池客车十余辆，燃料电池小车三十多辆。中国的氢燃料电池汽车还多次参与国际比赛并获奖^[5]。

3氢气过滤技术的经济性

车用PEMFC特性的改善与提升，PEMFC电动汽车的动力性与经济效益都将有所提升。NecAr四汽车每百公里的氢耗折合成汽油，折合为三点二L/100km，比与目前欧洲标准A类柴油机车五点六L/100km的汽车油耗比下降了约百分之四十三。而经过最新的欧洲工况法测试后，其能源转化利用率已达百分之三十六，并且有能力达到百分之四十，而比目前的同型柴联车为百分之二十四～百分之二十五，普通汽油车则为百分之二十二，比Necar四提升了将近百分之五十。

4氢气过滤的效益

虽然PEMFC的危险物排放量可以达到ZEV，热效能也比传统的I.C.E车型高等突出优势，但是在目前的科技要求下，PEMFC电动汽车的劣势还是相当突出的。如果，过去人们对氢能汽车的了解还只能是在纸面上的话，那么二零零零年十月，美国GM公司/氢动一号零PEMFC电动轿车在北京市的展出，让人们更真切地感受到了只排水蒸气的PEMFC汽车的无限吸引力，并将对中国氢能汽车的发展研究产生巨大的带动与促进作用。新世纪的大门已然开启，人类社会由石油燃料时代向氢燃料时代的转变也已然启动。人们应该从现在开始瞄准当今世界的经济发展水平，主动地进行新能量的转化工作，使二十一世纪的H. I. C.E和PEMFC汽车技术已全部国产化。

在持续深入研究的背景条件下，逐渐完善了越来越多的技术。制取氢气方式具有多元化特点，与此同时，氢气的储存和运输日益便利。借助氢气发动机，一方面可以大幅度减少成本，另一方面能够优化发动机功能。由此看来，必须大力开展宣传和推广工作，让氢能源汽车被更多消费者认识并且接受，将市场开拓出来，使氢能源的推广效果得到不断提高。为了获取更大成果，必须加强研究氢能源的有效利用。例如，我们需要深入研究如何储存氢气，怎样使制取氢气能源成本降低等，此外，有必要将促进氢能源进一步发展的健全的环境政策体系构建起来，借助准入市场政策和税收优惠政策，提高氢气能源利用效率，与此同时，将完善的市场、技术标准体系和示范产品项目建立起来，将培育市场的工作做好。

四.结束语

总而言之，在汽车行业不断发展与进步的今天，传统能源汽车已经很大程度上影响到环境和人类。因此，在汽车行业中应用氢能源势在必行，并且也是未来社会发展的必然趋势。但当前仍然存在一些阻碍氢能应用于汽车行业的问题，为此需要积极采取有效措施进行解决，不断更新思想观念，与时俱进，促进氢能汽车的不断进步与发展。

参考文献：

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