基于醇水液制取富氢气体为燃料的新能源汽车技术研究

孙腾，缪文俊

（1.钦州学院，广西钦州535011；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400023）

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基于醇水液制取富氢气体为燃料的新能源汽车技术研究

孙腾1，缪文俊2

（1.钦州学院，广西钦州535011；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆400023）

在醇水液较低温度的情况下，采取以CeO2为载体，搭载Ni-Cu为活性组分，作为车载醇水液裂解制氢的催化剂，并对醇水液通入电流，发现醇水液裂解的转换率和生成气体中氢气的选择率有明显的提升。最后，分别将汽油和车载醇水液制取富氢气体做为汽车燃料，发现后者汽车排放尾气中CO、HC、NOX的含量均大幅下降，有效减少了空气污染。

气体燃料；醇水液；富氢气体；转化率；氢气选择性

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[1-4]，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[5]。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[6]。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[7]。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[9]，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。其发生的反应有：

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件

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[10]

吴倩[11]等人研究表明CeO2具有弱碱性和独特的氧化还原性，此外，在实验过程中为了提高氢气的选择性和最理想的气体产率，采取了温度在523~823 K间，Ni占10%，Cu占5%的催化剂，发现效果显著且没有副产物。考虑到CeO2能够在醇水液裂解氢化过程中具有良好的催化剂稳定性和高效性，并成本低廉。因此，浙江某能源公司最终采用金属氧化物搭载的金属催化剂：以CeO2为载体，搭载10Ni5Cu为活性组分，作为车载醇水液裂解制氢的催化剂。

1.2 醇水液裂解制氢反应中电流的释放

图1，（a）、（b）图分别表示了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。

图1 电流对乙醇转换率和电流对氢气选择性的影响

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，如图2所示。

表2 醇水液裂解制取气体燃料驱动汽车尾气排放检测

图2 改装后试验车照片

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生成气体中氢气的选择率。最后，与浙江某能源公司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。

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[11]吴倩，陈豪慧，李佟茗.稀土金属氧化物在乙醇重整制氢催化剂中的应用[J].化工进展，2008（02）：187-189.

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

广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016LX435）；钦州学院教改项目（2016QYJGB39）

孙腾（1988-），男，广西钦州人，助教，研究方向为机械CAD/CAM/CAE.