“绿色”汽车研制与化学

1995年第 7期 化 工 乏 ；智， ， · 9 · 绿色”汽车研制与化学 L／ 一 一 和 咖 84) T ／ ／ ———一 ～ ．’ ／ 人类社会与环境的协调发展已成为各 行业 的重要课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ．小汽车在国外早 已实现 家庭化 个人化，随着我国经济和汽车制 造业的发展，它们也将在不久的将来逐渐 进人中国家庭．然而。汽车的尾气排放已 雏太气造成严重污染。在美国，33％的大 气污染柬 自汽车摊放的挥发性有机化台 物 NO 及 CO等 “ ，我国的大气污染 物目前主要来源于煤燃烧及工业生产的排 放。但汽车尾 ‘导致的污染已日趋严重． 世界性 的环境保护和 。蛛色工程。已向汽车 的发展提出了低排放或零排放、无污染的 要求，。绿色汽车’将成为汽车尤其是小汽车 的主要发展方向，化学家、汽车黼造专家 主要在下述几个方面联合进行研镧，并将 在本世纪束或下世纪韧同世． 一 提高燃料效率，减少 汽车排放 燃料效率的提高将减少燃料用量，从 而减少汽车尾气的排放，节能则是提高燃 料姣率的有效途径． 1．汽车能耗分折 一 辆典型小汽车在市郊行驶时。其燃 料燃烧的总能量经过发动机、辅助设备、 附件 (加热嚣及其它工具设备)的船耗 后，只有 18．2％的可用于行驶，如再扣除 行车产生的空气阻力、轮胎流动的摩擦力 和翻车过程中的能耗，只有 5．6％的能量 ·本柏 委 用于保持汽车的速度Ⅱ=常行驶． 2．节能措施 减步发动机、行车和聋0车能耗可以大 大提高燃料效率．改进发动机效率、减轻 发动机和车体重量是节能的两个根本途 径．1973年能源危机时，美国汽车制造家 郎提出控崩燃料消耗量的目标．1979年。 实现了发动机材料的革新，用铝合金代替 了铸铁．为不断追求发动机最佳燃油亟济 姓和零部件更加可靠性， 日本 目前有 200 家以上的黼遣厂和大学正在从事陶瓷材料 的开发．工程陶瓷具有耐高温 质轻 强 度较好等优点，是毒I造汽车发动机的较理 想材辑．烧结在冉瓷中的电火花塞使用 2000多小时无故障。并在几秒钟内启动发 动机．日本用高压法制造 sl|N{晦瓷，可 使烧结温度达到 1700~1900℃： ，嘲瓷 材料的缺点是易碎裂．在发动机上的使用 受到一定的限案5。钍一铝金属互化物翻造 的发动机阎门具有质轻、强度大 耐高温 等蛊好的综合性能，同等条件下可使油耗 减少 5％．这种新疆的轻质材料是钛秘 铝粉在模{II冲床中加热引发快速反应而黼 得，能满足绿色汽车对燃料充分燃烧的要 求． 使用轻质材料毒I造汽车车体及附件 (座犄、车窗等)．使汽车重量显著减少， 是降低油耗、减少捧放的另一种途径．美 国汽车材料公司致力于聚合物复合材料、 丫 刊 、 时 维普资讯 http://www.cqvip.com · 】0· 化 工 时 刊 1995年第 7期 轻金属 (铝、镁及金属基体复合材料)和 工程塑料、陶瓷等的开发和加工研究．企 望提高 汽车安全性 、可靠性和耐撞击性 能．减少排放，降j氐制造成本，并回收汽 车制造材料，提高循环使用率． 二 寻求有效的尾气处理 途径、降低排放 汽车尾气 的主要组成是碳氢化合物、 CO：、 CO 和 No ． 柴 油 机 尾 气 还 含 SO ，常在排放前用催化剂对尾气进行处 理 ． 为 防止燃 烧 时 的爆震 现 象而 加入 Pb(C2rid．以提高辛烷值．用溴化物处理 时形成 PbB r，，使尾气增加含铅污染 物． 同时还会使处理尾气的催化剂中毒，降低 对尾气 的处理 效果 ，导致严重 的排 空污 染．为解决此问题 ，许多国家已尽量不用 含铅汽油，或用 MTBE (甲基叔丁基醚) 代替 Pb(c 4，使辛烷值太于 i00．目前 还来能找到一种催化剂能有效地直接分解 NO 为非污染物．现在，常用一种三元催 化剂使尾气中碳氢化物、CO和 NO 还 原 ．在空燃 比控制台理时可把三者的浓度 同时降到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的排放 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ．催化剂 Pt虽活 泼，在其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面很 易使 No 还 原成 NH3， 多种形态的含钌催化剂能有效地将 N()I还 原成 N，，但又常会生成易挥发、有毒的氧 化钌．因此，探索处理 NO 的有效催化剂 达到低排放的要求，是绿色汽车研制面临 的又一课题，美国低排放技术研究开发公 司正致力于催化剂的新探索． 三 大力开发零排放汽车 用贮能系统提供电力驱动的电动汽车 可满足零排放要求．贮能系统可以是先进 的蓄 电池 、燃 料 电池 、飞轮及超 高电容 器．绿色小汽车开发研究工作在这方面已 有令人满意的结果． 1．蓄电池 种类很多，材料不同，功率及性能各 异．表 1是零排故小汽车中美国高级蓄电 池公司提 出的蓄电池改进的中期、长期 目 标和目前开发的蓄电池性能 比较． 目 中期目标 标 长远目标 铅一酸 现 镰——铁 有 镰一隔 蓄 镍—金属氢化暂 电 钠 e 池 钠一氯化镍 锂一聚合物 < I50 < 100 70-- 100 I60～ 300 30o 200 I > 350 50～ 50o 蓄电池的功率是该蓄电池使 汽车加速 池贮能太小 以及充电一放电一次循环中汽 和爬高能力的标志，其单位电能则与蓄电 哪 3 5 m 卜 一 一 m 一 一 ∞如∞ ，， 舯 卜 Ⅲ 。。 ～ 三 3 3 3 枷叫 抛 m m 。g ～抛～ 维普资讯 http://www.cqvip.com 1995年第 7期 化 工 时 刊 车的行程远近有关． 目前商业化 电力汽车 用的只有铅一酸和镍一镉两种，其中铅一酸 蓄电池单位能量实际是 35瓦 ·小 时／千 克，最大 比功率 170瓦 ／千克，行程可达 128公 里 (行车效率 0．17千瓦 ·小 时 ／ 里)，镲—镉 蓄电池可达 57瓦 ·小时／千克 的单位电能，200瓦 ／千克的比功率，行 程 225公里，镉的毒性大，回收存在很大 问题，使用仍受到限翩．密封式铅一酸蓄 电池使用安全 方便 寿命较长、成本 低．涂铅玻璃纤维制成的标准铅酸蓄电 池，强度大，质轻．可反复充电一放 电， 在 8分钟内使充电量达到其总贮能的一 半，3O分钟内完全充满，每次放电行程约 可达 128800公里．可见，铅一酸蓄电池若 在技术上进一步完善，将在绿色小电动汽 车中起重要作用． 美国 高级蓄油公 司 (USABC)研究 表明．镍一金属氢化物和钠一硫蓄电池能很 好地满足该公司提出的中期目标．而锂一 二硫化亚铁及锂一聚合物蓄电池则能满足 长远 目标，并预测镍—金属氢化物蓄电池 可能在 1998年商业化生产．目前能达到 75瓦 ·小时／千克的单位能量，由无毒材 料制成．能在室温下工作．但成本较高． 钠一硫蓄 电池功率和贮能均不错，美国福 特汽车公司已用它研翩了一辆零排放模型 小汽车 Ecostar(。无污染生态环境 小汽 车)，但这种电池成本很高．腐蚀严重，还 有待进一步研究开发． 美 国 加利 福 尼 亚 空 气 资 源部 (US CARB)的统计表明，美国大约有 85％的 人每天行车少于 75英里，约 70％的人每 天行车少于 5O英里，因此，在美国及其它 国家，装备蓄电池的零排放电动小汽车若 价格合理，会逐渐为广大用户接受． 2．燃料电池 燃料电池是将燃料和氧化剂反应时提 供 的化学 能转变为 电能的一种 电化学 装 置，燃料在阳板失去电子被氧化．电子通 过外电路传到阴极，氧化剂在阴极获得 电 子被还原，形成的阴用离子流通过电解质 溶液形成闭合回路．使用一段时间后需要 向电池 中充填燃料，类 似于蓄电池的 。充 电 ，从而反复使用．典型的燃料电池是氢 一 氧电池 (图 1)，其中氢可以用气态氢、 存在于固体介质中的氢或由附带容器中的 含氢燃料产生 (如 CI-t oH—H 十cO )， 燃料效率理论值可达 83％，实 际为 50- 60％ ． 燃料 电池根据所用电解 质溶液 命名． 目前满足运输用的有磷酸 碱 固体氧化 物及质子交换膜 (PEM)4类 (表 2)． 表 2说明燃料电池可望成为绿色小汽 车的主要动力来源．美国福特汽车公司已 投入大笔资金完善 PEM 燃料电池的各项 技术，以提高功率，解决氢气贮存装置问 题 ．英 国 Ballard动力公司已用 PEM 纯氢 燃料电池制造了零排放小汽车，正在英国 哥伦布地区行驶 ． 3．备用贮能系统 仅依植电池动力系统行驶绿色汽车， 还会遇到爬 山和快速变速 功率 不足的困 难．备用贮能系统一 超电容器和’毽轮将对 此提供帮助，而且还能捕捉刹车过程中损 失的能虽． rJJ超电客器 由介电质或高真空隔开 的两块导板组成．能快速地进行直接充电 和放电而不依赖于化学反应．若使用新型 材料如陶瓷、金属氧化物、碳基体物质或 超细粉末作介电质，贮能量更大．目前商 业用超高电容器具有 I～2瓦 ·小时／千克 的单位贮能。实验室模型可达 2～5瓦 ·小 时／千克，而使用气溶胶 (带水溶液或有 机电解质)的空气电容器4～8瓦 ·小时／ 千克．进一步开发超电容器的材料，如碳 一 纤维、金属一纤维复合材料、单片海绵 碳、碳纸聚合曲涂膜及金属薄片上的金属 维普资讯 http://www.cqvip.com · l2· 化 工 时 刊 】995年第 7期 混合氧化物。均可望改进贮能能力和降低 成本． 负载 H2 燃辩 多孔阳级 陵电解质溶液 多孔刚极 阳极反应 阴极 j豆应 u池J正膻： H2+}02呻 H20 图 1 氢一氧燃料电池 iO2 氧化剂 磷矗型 磷 酸 200 碱 型 KOH 低温 固体氧化御 固体陶瓷 980 质子交换膜 囊合铀质 8O 于传递膜 启动慢，低功率 、体积 大、特别重，70年代 已 开发，能为大建筑物提供 电能及热能 能量密度高。启 动温度 低。早已用于室中飞行 功率大、坚固，机械强度 高 质轻。但启动慢 比功率大．输出功事大． 启动快、能满足变速行车 的需求 已有模型车。体积过大过 重。使之不能用于绿色小 汽车 使用纯氢和无c0 的氧． 可望用于绿色小汽车 改进 内部燃料后可产生 氢。可望 用于绿色小汽车 用纯氢改为含教量CO的 氢。将为绿色汽车作出很 大贡献 r2J飞轮 能将动能转变成电能或其它 形式能量．将磁铁置于一轮子上，并用导 一 + + 2 2 一 2 O H rl2 维普资讯 http://www.cqvip.com 1995年第 7期 化 工 时 刊 ·l3· 线环绕，使磁场穿过线圈而产生电流．飞 轮可达 20o000转／分的转速，贮能达 l50 瓦 ·小时 ／千克，达到美 国高级蓄电池公 司对化学蓄电池长远 目标的要求． 用于绿色小汽车 的汽轮机一飞轮动力 复合系统中，飞轮由碳纤维制成，在一个 能承受 1323000MPa压力的超强密封装置 中于 l0 乇真空下以 54000转 ／分高速旋 转．这种系统使用新型的轻质陶瓷和金属 材料，总重只有 84公斤。具有 500千瓦功 率．足以同时照明250间房间．若切断电 力开关，飞轮中电能不会外流，而以机械 能的形式安全存放于密封装置中．美国飞 轮公司 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的石墨一纤维复合材料飞轮可 驱动电动汽车行程 483公里，是 l6l公里 蓄电池电动车行程的 3倍． 绿色汽车的研制和开发，是当今汽车 制造家和致力于无污染排放的动力电池开 发的化学家们的热门课题．美国、英国和 日本已掀起生态环境小汽车研制的热潮。 美国三家大汽车公司，榀特公司 通用汽 车公司和克雷斯勒汽车公司于 1993年 9月 组成绿色汽车研制协会，目标是节能 低 排放或零排放．加利榀尼亚空气资源部已 提出．1998年有 2％的小汽车和轻型卡车 将是零排放的。到 2001年。将有 5％的零 排放小汽车和轻 卡车在加利福 尼亚 州出 售。2003年出售量将增加到 l0％．显然． 随着人们对环境与人类协调发展的认识的 提高．节能、轻质、由高新动力技术 (蓄 电池 燃料电池、飞轮和超 电容器等贮能 系统)和新型材料制诚 的绿色小汽车将逐 渐普及． 大气污染是我国环境问题中的一个主 要 问题，虽然 NO 、CO、SO2等污染物 主要来 自燃煤排放，但经济的发展，汽车 的增多，汽车尾气排放的污染物比例已明 显增大．我国还在大量使用含铅汽油，好 些汽车的尾气未经处理就直接排放，汽车 制造业中轻质材料的应用与国外相比相差 很远．为满足环境保护和节能的要求。我 国应高度重视汽车尾气的排污处理。加强 新型材料和动力系统的开发与研究．使汽 车制造尽力向绿色汽车靠近．以达到低排 放、无污染的要求． 参考文献 【l】 Chemical＆ Engineering，72(31) 9(1994) [2】 羊秋林，李尹熙等．汽车用轻量 化 材 料 ， 机 械 工 业 出 版 社 ， 218(1991) [3】 James J．Mackenzie，The Keys to the Car：Electric and Hydrogen Vehicles for 21st Century．Issued by W orld Resources Institute (May，l994) ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※ (上接第 l5页) (包括棉、毛、天然纤维及合成纤维)上， 单体利用率可达 80％。所得接枝织物具有 轻松柔软、手感和染色都很好以及防水、 防污和耐磨等性能．如将 N-．羟基甲基丙 烯酰胺 辐射接 枝到棉纤维上，可达到不 皱、永久挺括的效果；如将溴化乙烯或乙 烯基膦酸酯辐射接枝封聚酯纤维上．可达 到阻燃效果． 还可用辐射接枝聚合进行酶的固定． 通过与酶相溶且含有功能团的单体接枝到 高聚物的主链上，特别是羊毛经接枝后会 增加偶合酶的区域数。使毛纤维的亲水或 疏水性明显改善 (待续)． 维普资讯 http://www.cqvip.com