基于醇水液制取富氫氣體為燃料的新能源汽車技術研究

孫騰，繆文俊

（1.欽州學院，廣西欽州535011；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400023）

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基于醇水液制取富氫氣體為燃料的新能源汽車技術研究

孫騰1，繆文俊2

（1.欽州學院，廣西欽州535011；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶400023）

在醇水液較低溫度的情況下，采取以CeO2為載體，搭載Ni-Cu為活性組分，作為車載醇水液裂解制氫的催化劑，并對醇水液通入電流，發現醇水液裂解的轉換率和生成氣體中氫氣的選擇率有明顯的提升。最后，分別將汽油和車載醇水液制取富氫氣體做為汽車燃料，發現后者汽車排放尾氣中CO、HC、NOX的含量均大幅下降，有效減少了空氣污染。

氣體燃料；醇水液；富氫氣體；轉化率；氫氣選擇性

隨著經濟的飛速發展，我國已經成為世界能源消耗第一大國，其中以汽車燃油排放所占比例尤為明顯，因此，由交通能耗引起的造成局部環境污染與全球溫室氣體排放已受到了政府及企業的極大關注，發展一種清潔可再生的新型替代能源當務之急。經相關部門研究表明[1-4]，以生物-醇類作為發動機的燃料，既可以大幅度降低CO、HC以及氮氧化合物的排量。同時，將車載醇水液制取富氫氣體作為發動機燃料能夠快速與空氣實現均勻混合，與石油相比，點火溫度更低，燃燒產物無固體顆粒，火焰傳播速度更快，氣體燃燒更完全等特點[5]。在石油安全與環境壓力日益加重的情況下，發展以氫氣作為內燃機燃料的新能源動力系統是大勢所趨。本文旨在充分開發利用廣西地區酒精及沼氣資源，就如何將酒精和沼氣資源應用在汽車發動機上進行了研究。

1 醇類制取富氫氣體

與化石能轉化、電解水等傳統的制氫方式相比，生物質原料制取富氫氣體的新工藝具有更環保且資源可再生的優點。目前，常用醇類裂解制氫氣主要使用的有甲醇和乙醇，然而目前甲醇的主要來源是以天然氣為原料來制取，從某種意義上說不屬于可再生能源[6]。相反，乙醇卻可以通過生物質能源大量獲取，充分發揮了廣西地區的自然資源。1991年，E.Y. Garica提出了乙醇裂解制取氫氣，并進行了熱力學分析[7]。1996年，K.Vaudeville和S.Fern等驗證了乙醇制取氫氣以及氫氣供應燃料電池的利用方式是完全可行的[8]。目前，在低溫狀態下，雖然乙醇水蒸氣在523 ~823 K范圍的低溫裂解已經實現[9]，但是如何利用不同的催化劑、通過何種反應途徑來提高醇水液的轉換率和低溫條件下氫氣的選擇率仍然是需要解決的主要問題。其發生的反應有：

從乙醇和甲醇的反應方程式中可以明顯看出，1 mol的乙醇可以釋放出6 mol的氫氣，而1 mol甲醇裂解制取的氫氣只有乙醇的一半。相較于甲醇的分子結構，乙醇裂解制取氫氣效率更高。同時，乙醇相比甲醇更環保、在運輸過程中易儲存，這也是浙江某能源公司選擇乙醇為制氫原料的原因。

1.1 生物乙醇裂解制氫氣條件

催化劑的選擇對乙醇裂解制取富氫氣體的轉換率起著關鍵性的作用，在不同的催化劑作用下，乙醇裂解的反應速度、反應途徑皆有所不同。目前，在乙醇裂解制取富氫氣體的反應中，通常選用兩類催化劑：金屬氧化物催化劑或金屬氧化物搭載的金屬催化劑[10]

吳倩[11]等人研究表明CeO2具有弱堿性和獨特的氧化還原性，此外，在實驗過程中為了提高氫氣的選擇性和最理想的氣體產率，采取了溫度在523~823 K間，Ni占10%，Cu占5%的催化劑，發現效果顯著且沒有副產物。考慮到CeO2能夠在醇水液裂解氫化過程中具有良好的催化劑穩定性和高效性，并成本低廉。因此，浙江某能源公司最終采用金屬氧化物搭載的金屬催化劑：以CeO2為載體，搭載10Ni5Cu為活性組分，作為車載醇水液裂解制氫的催化劑。

1.2 醇水液裂解制氫反應中電流的釋放

圖1，（a）、（b）圖分別表示了醇水液在通電的情況下，電流對乙醇轉換率的影響和氫氣選擇性的影響。

由圖（a）所示，不同的曲線分別表示了在不同溫度下，電流對醇水液的轉化率。在不對醇水液通入電流時，隨著溫度的降低，醇水液的轉化率大幅下降。浙江能源公司所設計的發動機余熱溫度在523 ~823 K之間，為了能在較低溫度下，提高醇水液的轉化率，本文作者采取在反應裝置中增設了電極輸入催化電流以促進醇水液的裂解反應。

（b）圖曲線表示氫氣選擇性的影響，在較低溫度的情況下，隨著通入電流的增強，氫氣的選擇性有明顯的改善。與此同時，在通入同一電流情況下，通入3 A電流時產氫率是不通電流的2倍多，由圖中正方形狀曲線可以看出，在溫度較低的情況下，較大的電流對氫氣的產率影響最大。基于以上實驗，浙江某能源公司在原有的醇水反應裝置中加裝電極通入3 A的催化電流，以提高乙醇轉換率和氫氣選擇性。

圖1 電流對乙醇轉換率和電流對氫氣選擇性的影響

2 車載醇水液裂解制取氣體燃料實車試驗

以浙江某能源公司實驗車輛上分別裝載燃燒汽油和醇水混合液為例進行分析，在大氣壓力在101.3 kPa，環境溫度為（298±1）K，相對濕度50%~66% RH，分別檢測了在（760±100）r/min和（2500±100）r/min時，兩種燃料的對比試驗，以富氫氣體為燃料的車輛的CO、HC、NOX的排放濃度均有大幅降低，其中，氮氧化合物的排放基本為零，具體檢測數據如表2.該企業在不改變以汽油為燃料的發動機結構的情況下，通過加裝減壓閥、ECU連接器、氣體分配器等裝置，使醇水液產生的富氫氣體直接輸入到汽車發動機。同時，考慮到瞬態工況和熱機等情況，在以醇水液制取富氫氣體汽車后備箱加載了氫氣瓶，如圖2所示。

表2 醇水液裂解制取氣體燃料驅動汽車尾氣排放檢測

圖2 改裝后試驗車照片

3 結論

本文研究了在低溫情況下，催化醇類制取富氫氣體的催化劑，確定了用醇水反應裝置中加裝電極催化電流來提高醇水裂解的轉換率和生成氣體中氫氣的選擇率。最后，與浙江某能源公司合作并進行富氫氣體燃料實驗，得到了車輛的一氧化碳、碳氫化合物和一氧化氮的排放濃度均有大幅降低，使環境得到了有效保護。

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Study on the Hydrogen Rich Gas Converted from Alcohol Water Liquid as Gas Fuel for New Energy Automobile

SUN Teng1，MIU Wen-jun2
（1.Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China；2.Changan Chongqing Automobile Limited by Share Co.，Ltd.，Chongqing 400023，China）

In order to improve the cracking conversion rate and selection of hydrogen in gas production rate for the alcohol water liguid under the low temperture，CeO2and Ni-Cu are adopted as catalyst.At the same time，the alcohol liquid is under current.At last，automobile tail gas is compared between gasoline and the hydrogen rich gas which is used as vehicle fuel.It shows that CO，HC，NOXfrom automobile tail gas have been sharp decreased which air pollution is effectively reduced.

gaseous fuel；alcohol water liquid；hydrogen-rich gas；conversion rate；hydrogen selectivity

TQ116.2

A

1672-545X（2017）06-0111-02

2017-03-16

廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（KY2016LX435）；欽州學院教改項目（2016QYJGB39）

孫騰（1988-），男，廣西欽州人，助教，研究方向為機械CAD/CAM/CAE.