2019-10-11 13:53
随着经济的飞速发展，我国已经成为世界能源 消耗第一大国，其中以汽车燃油排放所占比例尤为 明显，因此，由交通能耗引起的造成局部环境污染与 全球温室气体排放已受到了政府及企业的极大关 注，发展一种清洁可再生的新型替代能源当务之急。 经相关部门研究表明，以生物-醇类作为发动机的 燃料，既可以大幅度降低 CO、HC 以及氮氧化合物的 排量。同时，将车载醇水液制取富氢气体作为发动机 燃料能够快速与空气实现均匀混合，与石油相比，点 火温度更低，燃烧产物无固体颗粒，火焰传播速度更 快，气体燃烧更完全等特点。在石油安全与环境压 力日益加重的情况下，发展以氢气作为内燃机燃料 的新能源动力系统是大势所趋。本文旨在充分开发 利用广西地区酒精及沼气资源，就如何将酒精和沼 气资源应用在汽车发动机上进行了研究。
1 醇类制取富氢气体
与化石能转化、电解水等传统的制氢方式相比， 生物质原料制取富氢气体的新工艺具有更环保且资 源可再生的优点。目前，常用醇类裂解制氢气主要使 用的有甲醇和乙醇，然而目前甲醇的主要来源是以 天然气为原料来制取，从某种意义上说不属于可再 生能源。相反，乙醇却可以通过生物质能源大量获 取，充分发挥了广西地区的自然资源。1991 年，E.Y. Garica 提出了乙醇裂解制取氢气，并进行了热力学分 析。1996 年，K.Vaudeville 和 S.Fern 等验证了乙醇制取氢气以及氢气供应燃料电池的利用方式是完全可 行的[8]。目前，在低温状态下，虽然乙醇水蒸气在 523 ~ 823 K 范围的低温裂解已经实现，但是如何利用 不同的催化剂、通过何种反应途径来提高醇水液的 转换率和低温条件下氢气的选择率仍然是需要解决 的主要问题。
从乙醇和甲醇的反应方程式中可以明显看出，1 mol 的乙醇可以释放出 6 mol 的氢气，而 1 mol 甲醇 裂解制取的氢气只有乙醇的一半。相较于甲醇的分 子结构，乙醇裂解制取氢气效率更高。同时，乙醇相 比甲醇更环保、在运输过程中易储存，这也是浙江某 能源公司选择乙醇为制氢原料的原因。
1.1 生物乙醇裂解制氢气条
催化剂的选择对乙醇裂解制取富氢气体的转换 率起着关键性的作用，在不同的催化剂作用下，乙醇 裂解的反应速度、反应途径皆有所不同。目前，在乙 醇裂解制取富氢气体的反应中，通常选用两类催化 剂：金属氧化物催化剂或金属氧化物搭载的金属催化剂。
1.2 醇水液裂解制氢反应中电流的释放
醇水液在通电的情况下，电流对乙醇转换率的影响和氢气选择性的影响。 由图（a）所示，不同的曲线分别表示了在不同温 度下，电流对醇水液的转化率。在不对醇水液通入电 流时，随着温度的降低，醇水液的转化率大幅下降。 浙江能源公司所设计的发动机余热温度在 523 ~ 823 K 之间，为了能在较低温度下，提高醇水液的 转化率，本文作者采取在反应装置中增设了电极输 入催化电流以促进醇水液的裂解反应。 （b）图曲线表示氢气选择性的影响，在较低温度 的情况下，随着通入电流的增强，氢气的选择性有明 显的改善。与此同时，在通入同一电流情况下，通入 3 A 电流时产氢率是不通电流的 2 倍多，由图中正方 形状曲线可以看出，在温度较低的情况下，较大的电 流对氢气的产率影响最大。基于以上实验，浙江某能 源公司在原有的醇水反应装置中加装电极通入 3 A 的催化电流，以提高乙醇转换率和氢气选择性。
2 车载醇水液裂解制取气体燃料实车试验
以浙江某能源公司实验车辆上分别装载燃烧汽 油和醇水混合液为例进行分析，在大气压力在 101.3 kPa，环境温度为（298±1）K，相对湿度 50% ~ 66% RH，分别检测了在（760±100）r/min 和（2500±100） r/min 时，两种燃料的对比试验，以富氢气体为燃料的 车辆的 CO、HC、NOX 的排放浓度均有大幅降低，其 中，氮氧化合物的排放基本为零，具体检测数据如表 2. 该企业在不改变以汽油为燃料的发动机结构的情 况下，通过加装减压阀、ECU 连接器、气体分配器等 装置，使醇水液产生的富氢气体直接输入到汽车发 动机。同时，考虑到瞬态工况和热机等情况，在以醇 水液制取富氢气体汽车后备箱加载了氢气瓶。
3 结论
本文研究了在低温情况下，催化醇类制取富氢气体的催化剂，确定了用醇水反应装置中加装电极催化电流来提高醇水裂解的转换率和北京中惠普气体发生器生成气体中氢气的选择率。最后，北京中惠普分析技术研究所合作并进行富氢气体燃料实验，得到了车辆的一氧化碳、碳氢化合 物和一氧化氮的排放浓度均有大幅降低，使环境得 到了有效保护。