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志公
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[转贴资讯] 氢气引擎



氢被视为环保救星
氢为地球上最单纯、最普遍的化学元素,由于其燃烧后产物为水,早就被喻为环保救星。但目前仍有不易取用的问题,目前氢气主要来源为电解水,但用电换氢,费用太高,而且液态氢温度太低,处理上非常不方便,且配送不易,不符合经济效益。最重要的,1937年兴登堡号氢气飞船爆炸事件,也使人们对氢气感到畏惧。


氢燃料售价较高危险性较低
氢燃料的价格为汽油的三倍,氢燃料引擎为汽油引擎的两倍,虽然在技术改进及大量生产后,价格会下降,但永远不可能像目前汽油燃料般的方便和便宜。但其最大的利基为废气的污染非常少,不会产生温室效应问题的二氧化碳,与空气燃烧产生的一氧化氮只有汽油引擎的30%以下,对环保问题越来越严重的地球而言,氢是环保问题唯一的永久解决之道。氢燃料引擎的安全性非常之高,整个燃料箱可以在摄氏900度的高温一个小时,燃料箱破洞、气体外漏皆不会产生爆炸。目前最大的问题是建立一个遍及全国的液态氢气供应网,所以全世界各大工业国,目前正积极推展瓦斯车,作为将来推广氢燃料车的过渡阶段,贮存运送天然瓦斯的设备和氢燃料一样,可以立即换用。


BMW汽车公司
BMW公司于去年六月推出四部氢燃料车,其最大马力为150马力、时速为210公里,比起汽油的210马力、240时速亦不逊色太多。燃料桶内加满氢燃料后可以跑400公里,约只有汽油车的一半。


宾士汽车公司
宾士公司是以氢燃料电池为主要动力,氢燃料电池运作的原理是和电解水相反的方法,在阳极通氢气,在阴极通氧气,利用白金催化氢气分解为质子与电子,质子再与氧气生成水,反应过程中产生之电子流动即可提供汽车使用。这种氢燃料电池唯一生成物为水,一点都没有污染问题,目前许多世界着名车厂皆大力研发此一燃料电池中。但目前其动力只有45马力,最高时速110公里,行程250公里,无法长途使用。


氢气来源
目前氢气来源为消耗大量石化燃料发电,电解水来得到氢气,显然不合乎经济效益。在德国、加拿大和美国等地正研究利用廉价的太阳能或水力发电来取得氢气。触媒化学家亦尝试使用触媒,由石化原料进行催化反应取得氢气。

此文章被评分,最近评分记录
财富:20 (by 为) | 理由: 非常详尽的说明



献花 x0 回到顶端 [楼 主] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:16 |
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生产方法


若以原料的来源来区别,氢气的生产方法可以分为两大类,一类是由化石原料制氢,主要商业化的制程有:
蒸气重组法(steam reforming)
部分氧化法(partial oxidation)
水煤气法(coal gasification)等。

另一类则为非化石原料制氢法,主要制程有:
水电解法(water splitting by electrolysis)
水光电解法(photoelectrochemical water splitting)
实验室中少量制氢法等。


献花 x0 回到顶端 [1 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:23 |
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运输技术


氢气的运输技术,可以分为境内氢气运输和境外氢气运输两方面来讨论。境内氢气的运输技术以氢气管线运输为主,卡车运输或火车运输为辅;境外的氢气运输技术则以船舶运输为主。

氢气的境内管线运输,主要是以工厂与工厂之间的氢气传输,或氢气储槽与末端只用者间的氢气传输;如下图所示若考虑一氢气管线,其管径为D,长度L,管端压力p1,管末压力p2,质量流量为 ;则有下列关系式。

其中 为摩擦系数,R为气体常数,z是氢气的压缩因子,可以知道氢气运输管线的长度与其管径的5次方成正比;也就是说,若要以相同的压力将相同质量流量的氢气运输至32倍管线长度远的地方, 只要将其管径倍增即可。除了使用管线运输之外,可以将氢气冷冻成液态氢的型式,再以卡车或火车运输。或是以储氢合金的方式运输至氢气交换中心,再以交换的方式安全的让最终使用者如燃料电池电动汽车、机车等使用。

境外的氢气运输以船舶为主要运输工具,如图所示的气体槽运输轮,可以用来运输氢气与LPG等气体,不过此种气体槽运输轮造价昂贵,运送成本高,若于码头附近有甲醇工厂与氢气工厂,可以考虑先将氢气制程甲醇,再以普通运送液态化学品的船只运送至目的地,于当地的制氢工厂再将甲醇制成氢气使用。


献花 x0 回到顶端 [2 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:24 |
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储存系统


氢的储存系统,根据用途的不同可分为以下四种。

一、 固定式大型储存系统
此种储存系统适用于氢气生产工厂的管线末端,用于储存大量氢气,通常使用高压及低温法储存,因此储存系统包含压缩机以及冷却系统等设备。

二、 固定式小型储存系统
此种储存系统适用于需要氢气为进料的工厂,它的规模视工厂的需求而定。

三、 可移动式储存系统
包含大型的可移动式储氢槽与小型的储氢卡车。

四、 燃料用储存系统
此种储氢方式是要供给氢气作为公车或汽车或机车等交通工具作为燃料用,常用的方式有储氢高压钢瓶,或低压的储氢合金钢瓶等。

储氢的方式有很多种,若依照储存状态来区分,可以分为气态高压储氢法,液态储氢法,储氢合金吸放氢法及微碳管吸放氢法等。其中高压储氢法与液态储氢法是传统的储氢方式,这两种方法适用于需要使用或生产氢气的工厂中,若要作为交通运输工具的燃料用,则以储氢合金吸放氢的方式较为合适,由于氢在储氢合金当中,相当于固态氢,因此所需压力不大,使用时,氢由储氢合金中释出,汽化成氢气并吸收大量热能,因而储氢合金于放氢的同时温度会下降,反之,于充氢时温度会上升。至于微碳管吸放氢的方式是目前正处于研发启蒙阶段的方式,其原理是运用人工合成的微碳管,即10-9m大小的碳纤维管来吸氢,因为氢分子于微碳管中很小的空间内即相当于在外界受到很大的压力之情形,因此很容易储存于微碳管之中;目前微碳管已被人工合成出来,将来要如何量产微碳管、并制程稳定度高与可多次充放氢的产品,是研发的课题。


献花 x0 回到顶端 [3 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:25 |
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安全特性


氢气势一中无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体,相较于被普遍使用的液化石油气(LPG)来说,氢气是更安全的气体,从物质安全资料表(MSDS)中可以知道就八小时时量与短时间食量平均容许浓度而言,液化石油气是1000ppm,而氢气是不会中毒的,除非氢气浓度高到让人因为缺氧的而窒息;再从新竹市消防局的统计资料观之,LPG的危险性比想像中的还高,人们常常因为习惯,而忽略了危险性的存在,也常常因为陌生,而高估了危险性。

所谓瓦斯中毒,是因未燃烧瓦斯中之CO,或因瓦斯器具不完全燃烧而产生之CO,飘散在空气中,人体吸入而引起的中毒现象。CO系无色、无味、无臭、有毒之气体,因此,扩散于空气中时很难察觉,到了体内血液中,与搬运氧气之血红素 (Hemoglobin)结合,其结合力约为氧气的250倍,所以,即使吸入少量的CO,也会立即与血红素结合,而损伤血液之氧气搬运能力,人体缺乏氧气而引起的症状为CO中毒。

瓦斯中毒,虽可能由于瓦斯流出橡皮管时,引起中毒,但实际上因瓦斯器具不完全燃烧,而产生CO中毒事故较多。于换气状态不良的场所,使用瓦斯器具时,空气中氧气浓度(通常为21%)会降低。而当空气中之氧气浓度降低到某一数值时,瓦斯器具因氧气浓度不足引起不完全燃烧,而产生CO。

氢气是一种基本的化学原料,数十年来氢气被大量的安全的应用在化工制程中,其相关的制造、储存、运输及运用准则都已经建构完备,只要有正确的操作程序及遵守使用规范,将可安全的使用氢气。号称世界上最大的氢气工业使用网位于德国(1940),其中所使用氢气管线总长度为220公里,共有18个工业区相互连结使用及回收氢气。这些经过长时间使用的氢气管线相较于其他气体管线没有腐蚀及沉淀阻塞的问题,其泄漏率也低于1%。但因为氢气分子很小,容易扩散到钢材内部,造成钢材的氢脆化,因此在选择管线材料时要避免氢脆化的产生。

液态氢也被大量且安全的使用于太空工业,作为太空梭及火箭推进器之燃料。此外液态氢也被用于电厂中来冷却大型发电机,即使对于大量增加的工业应用,氢气使用的安全性也是无虑的。

随着环保的潮流,氢气这种清洁无污染的能源,将可能成为二十一世纪能源供应系统的一部份,因此,更深入的考量是如何将使用氢气的风险数量化以及进行一些必要的安全性量测。

首先,对于一些既有的安全参数与特性,我们可以将其整理出来并且和其他气体比较,尤其是目前被广泛使用的天然气与液化石油气(即桶装瓦斯)。

关于氢气制造、储存、运输及运用的基本安全考量不外乎是它的闪火点,燃烧及爆炸潜力以及相关的爆炸压力与爆炸能力。意外是因为在爆炸上下限浓度范围内超过闪火点之火苗所引起,常发生于管线或储槽容器因脆化,撞击,压力过高,缺乏适当的保养等所造成的气体外泄。

氢气的密度最低,这是氢气比其他两种气体安全的主要原因,因为氢气密度很低,一但氢气外泄,很快的氢气将会往上扩散被大量的空气稀释,因此不会累积浓度,若是液化石油气外泄,因为其比重比空气重,将会很快的在地面累积浓度,造成中毒或爆炸的危害;除了浓度累积效应之外,氢气爆炸与液化石油气爆炸所产生的杀伤力也有很大差别,由于氢气与氧气燃烧产生水蒸气 ,两倍体积氢气与一倍体积的氧气产生两倍体积的水蒸气,因此氢气爆炸了火焰是往内收缩并往上,杀伤力不大,若是液化石油气爆炸,其火焰不但是往外扩张而且是向下延烧,相信大家一定在电影情节里边看到过,其杀伤力非常大,除了爆炸以外,其延烧的范围也很广;相反的,氢气爆炸产生比热很高的水,可以很快带走热量,避免延烧。因此作为燃料,氢气的安全性比液化瓦斯高很多。


献花 x0 回到顶端 [4 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:30 |
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回顾与展望


历史上记载氢气的发现始于十六世纪,瑞士炼金术士帕拉切尔苏斯(Paracelsus)以酸和某些金属反应制备出氢气。之后经过两世纪于1766年,英国化学家加文狄希(Henry Cavendish)将氢与其他可燃性气体明确地区分开来,他测定出了氢的密度以及一定量的酸和金属反应所得到的氢的数量。1776年第一次观察到氢燃烧生成水。至于氢(hydrogen)这个名称是1781年由法国化学家拉瓦节所提出的,意思是可以产生水的气体。用氢气充填汽球始于1783年,虽然使用氦气充填载客飞艇具有不可燃的优点,但氢气至少沿用到第二次世界大战前。

目前,氢气是一种重要的化学品,以美国为例,氢气的年产量超过八百万吨,主要用来制造氨气、甲醇、与石化工业中的加氢脱硫与裂解反应。氢气再太空计划中亦扮演了重要的角色,根据美国太空总署(NASA)的统计资料显示,每年有九千吨的氢气被当作太空梭、火箭的燃料以及太空梭内燃料电池发电系统的反应物,此外,燃料电池所产生的水还可供太空人饮用或盥洗。1970年代由于能源危机导致氢能与再生能源备受重视。1980年代因为氟利昂CFC造成的臭氧层破坏以及二氧化碳过度排放造成的全球温暖化,使得气候变迁、冰山融化、海平面上升,因而于蒙特楼议定书管制CFC之使用,于133国认可之联合国气候变化纲要公约(UNFCCC)明示二氧化碳减量目标在2000年回复1990年标准,2000年以后考虑征收碳税(100美元/公吨),已强迫减量,因此氢能这种无污染的再生能源将可能成为二十一世纪的新兴能源。

过去与目前的氢气大多从石化燃料制造而得,由下示意图可以看出氢能零污染的循环,未来的氢气将由太阳能分解水而来,同时产生我们无时无刻都需要呼吸的氧气,经由氢气储存及运输系统将氢气传送到所需的地方,再利用燃料电池产生可以运用的电力和纯净的水,如此循环不已的回路就是「氢能循环」。在此循环当中,氢气扮演能量储存及传送的重要媒介。在氢能循环取代现有的石化原料之「碳循环」以前,我们将循序渐进的步入氢能时代,于不久的将来,将会有很多零污染的燃料电池电动车行驶于街上,取代现有的引擎车,解决都市的空气污染问题;接着,已氢气为燃料的燃料电池发电厂及发电机将会逐渐取代现有的发电与输配电系统,大楼或用户可以运用燃料电池发电机自行发电,电线竿与电缆线将会成为过去事;同时氢气的生产方式将会有重大的突破,运用生物科技大量制氢,光电解水制氢与水电解制氢的效率将会提高,取代传统以石化原料制氢的方式,从此氢能循环将可由碳循环中独立出来,氢能的时代里将有很多有关氢气的经济活动,氢能的公共设施,氢气的市场,氢气的利用技术等。氢能时代的实现,需要靠市场竞争的趋势和人类对环境保护的重视以及高科技的研发团队来完成。期望人类的将来将是一个环保与经济相辅相成的世代也就是所谓的氢能时代。


献花 x0 回到顶端 [5 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:31 |
awsx1234
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听说石油再过50年就会用完
所以开发新电源是趋势
只是新的东西一定贵= =
推推


献花 x0 回到顶端 [6 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 22:51 |
bwhe 手机
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说到氢引擎
马自达的rx-8在开发用氢气当然料的转子引擎
如果氢气真的流行后
那转子引情又能复活了^^


献花 x1 回到顶端 [7 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 23:50 |
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不过氢气未必安全
一但氢然料的车子发生车祸
那可能比用汽油车子容意暴炸


献花 x0 回到顶端 [8 楼] From:台湾中华电信 | Posted:2005-01-22 23:54 |
leoflc
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恩 不过不知道什么时候才会真的大众化
大家还是省点油吧


献花 x0 回到顶端 [9 楼] From:美国 | Posted:2005-01-23 03:44 |

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