能量的充分利用
波浪能可以从自然界源源不断获得，是可再生能源；在利用波浪发电时，波浪的机械能转化为电能．故答案为：可再生；机械．
A、结合图示分析，作物通过光合作用固定了太阳能，是流经此生态系统的总能量，作物的籽实、家畜、蚯蚓等可以供人们食用或利用，充分实现了物质的再利用和能量的多级利用．故A正确．B、作物的籽实、家畜、蚯蚓等可以供人们食用或利用，减少了废物和污染，提高了生态效益．故B正确．C、虽然在有的生态系统中，由于食物链延长，能量逐级损耗，系统总能量利用率降低，但本题的基本模式是“原料→产品→原料→产品”，物质和能量在逐级流动中不断的增值．故C错误．D、本题生态系统无论物质还是能量均实现了多级利用，符合生态学原理．故D正确．故选C．
有机液体氢化物贮氢新技术研究Ⅲ.氢燃料汽车的系统分析
陈进富 吴芳云
文 摘：对基于甲基环已烷（MCH）—甲苯（TOL）—氢（H2）的一对高度可逆反应的贮氢（简称MTH贮氢）技术进行了较系统的研究，利用考虑随车脱氢环境的MCH脱氢实验研究结果，对一种发动机功率为20kW的小型氢燃料车进行了初步设计，并对MTH贮氢技术进行了系统的能流和物流分析。结果表明，MCH随车脱氢供汽车氢燃料在小型汽车上应用是可行的，其贮氢系统的能效可达0.59。
关键词：氢燃料汽车，随车脱氢，贮氢，有机液体氢化物
INVESTIGATION ON THE NEW TECHNOLOGY OF HYDROGEN
STORAGE BASED ON ORAGNICLIQUID HYDRIDE ——
Ⅲ．SYSTEM ANALYSIS OFTHE AUTO OF HYDROGEN FUEL
Chen Jinfu Wu Fangyun
(Centre of Environment Engineering Investigation ＆
Development，Petroleum University，Beijing 102200）
Abstract：Based on the reversible reaction：methylcyclohexane�toluene＋3hydrogen，MTH hydrogen storage system is very atteractive to serve hydrogen as fuel for the auto．In this paper，the properties of the auto hydrogen fuel are described，the main parameters for the auto hydrogen fuel with the power of 20kW are preliminarily designed，and the energy flow and the material flow of the MTH system are analysed．The results show the auto hydrogen fuel based on MCH dehydrogenation on board seems to be feasible，and the MTH hydrogen storage system has a better energy utilization ratio up to 0．59．
Keywords：auto of hydrogen fuel，dehydrogenation on board，hydrogen storage，oragnic liquid hydride
0 引 言
基于甲基环已烷（MCH）—甲苯（TOL）—氢（H2）的一对可逆反应的贮氢技术（简称MTH贮氢技术），作者已进行较详细的报道〔1～3〕。我们的研究结果表明：利用甲苯的加氢反应实现氢的化学贮存是方便可行的，问题的关键在于如何高效地实现已贮存氢的释放即MCH的脱氢，对MCH随车脱氢供汽车氢燃料的应用尤为如此。在考虑随车脱氢的非稳态及无氢循环的苛刻环境条件下，作者以改性的Pt-Sn-K／r-Al2O3为催化剂，对MCH的脱氢反应进行了研究。结果表明，在常压、WHSV＝6h－1、300—400℃、纯MCH进料时，MCH的有效释氢量为2.78wt％～6．12wt％，这说明该贮氢新技术具有较高的贮氢量。本文以作者的研究结果为基础，对某参考氢燃料的小汽车进行初步设计，并对基于汽车氢燃料的MTH贮氢系统的能流和物流进行分析。
1 MTH贮氢体系组元的物化特性
在MTH贮氢体系中，存在TOL、MCH、H2三种组元，它们的物化特性数据见表1。
表1 MTH贮氢体系组元的物化特性数据
特 性 单 位 TOL MCH 氢 汽油
分子式 — C7H8 C7H14 H2 ～C6H16
分子量 kg／kmol 92．15 98．19 2．016 115
释氢量 wt．％ — 6．18 100 —
沸点 ℃ 110．6 101．2 — 125
凝点 ℃ －95 －126．6 — －56
蒸发热 kJ／kg 347 321 — 300
蒸汽压（20℃） MPa×10－3 5．0 7．0 — 3．0
密度 kg／L 0．867 0．769 — 0．72
比热容（液体） kJ／kg.K 1．738 1．83 — 1．8
燃烧热 MJ／kg 40．53 — 120 43
辛烷值 MON 112 84 — 92
可燃范围 Vol％ 1．3～6．8 — 1．4～76 1．4～6．4
毒性 ppm 100 400 — 300
由表1可知，TOL和MCH与汽油的性质在许多方面具有类似性。在MTH贮氢体系供汽车氢燃料的研究中，可选用TOL或MCH作汽车冷启动的燃料，本研究拟选用TOL。
2 基于MTH贮氢体系的氢能汽车特点
与液氢汽车和金属氢化物汽车不同，基于MTH贮氢体系的氢能汽车需要随车进行催化脱氢反应才能获得氢燃料。这使该体系具有以下一些显著特点，对它们的合理处理与利用将直接关系到该氢燃料汽车的竞争能力。
（1）MCH脱氢反应是强吸热反应，理论上脱出1kgH2需要的能量相当于自身完全燃烧产生热量的30％。
（2）脱氢反应的热量需由汽车尾气废热供给。一般而言，燃烧1g氢约可产生75g尾气，其比热容为1.2kJ／kg.K〔4〕。因此，实现该脱氢反应则要求尾气温度变化ΔT＝400℃。若催化反应的温度为Tc，则要求尾气的温度Texg为Tc＋400℃。Tc由催化剂的活性水平决定，催化剂的活性越高，意味着需要尾气的温度越低。对于工业改性催化剂Pt－Sn－K／r－Al2O3，作者的研究表明，在常压、WHSV＝6h－1、400℃反应时其脱氢转化率可达0.9以上，因此，Texg＝800℃。然而，一般汽车尾气尚难达此温度〔5〕，必须给脱氢反应器补充热量，如燃烧部分甲苯或氢气。
假定某小汽车的尾气温度为700℃〔5〕，则为释放1kgH2所需补充燃烧的甲苯或氢气的能量为9MJ，相当于燃烧0.075kgH2或0.22kg甲苯。换言之，为了MCH随车脱氢获得1kgH2，需要燃烧7.5％的氢气或1.5％的甲苯。
（3）汽车需要一个带有可自动移动隔板位置的贮液箱，隔板一边用于贮存MCH，另一边用于贮存换热冷凝后的TOL。 汽车冷启动燃烧少量甲苯，其重量约占贮箱中甲苯总重2.6％。
（4）为了预热MCH和冷凝回收反应后TOL和少量未反应MCH，汽车将内置高效换热器。
（5）尽管脱氢反应需要较大的能量，但可通过充分利用体系自身的能量解决，而且加氢反应放出大量热量还可供利用。因此，从能量合理利用的角度考虑，采用MTH贮氢体系提供汽车氢燃料具有非常大的竞争能力。
（6）汽车冷启动或为补充脱氢能量而燃烧少量的甲苯将增加尾气中二氧化碳等气体的排放量，但与燃油汽车相比已大为减少，作为能源过渡时期的氢能利用方式是可行的。
3 参考氢燃料小汽车的初步设计
表2所列为某参考小汽车的基本数据和设计条件，表3列出的为根据表2计算得到的各项设计指标。从表3可知，利用MTH贮氢系统随车供给小汽车氢燃料，从脱氢反应器及MCH贮箱的体积和换热器传热面积等设计参数的大小上看，在小汽车上应用是可行的。贮箱体积的限制将是影响汽车行程的主要因素，解决的办法一是增加充装氢载体的次数，二是利用高效燃料电池将氢变为电作动力，避免氢内燃机效率依然较低（尽管较汽油机高）的缺陷。
表2 某参考小汽车的基本数据和设计条件
参 数 单 位 数 据
小汽车重量〔5〕 kg 900
发动机功率〔5〕 kW 20
耗油量〔5〕 L／100km 12．8（市区）／6.45（市外）
燃油发动机效率 — 0.25
燃氢发动机效率〔4〕 — 0.4
尾气温度〔5〕 ℃ 700
每次充满MCH行程 km 200（市内）／400（市外）
脱氢反应器温度 ℃ 400
MCH脱氢转化率 — 0.9
WHSV（空速） kgMCH／kgcat.h 6
表3 某参考小汽车的设计指标
参 数 单 位 数 据
催化剂用量 kg 5
产氢量 g／s 0．45
发动机工作供氢量 g／s 0．28（最大值0．42）
MCH进料量 g／s 5．04
TOL回收量 g／s 4．26
脱氢反应器有效体积 l 8．4
耗氢量 kg／100km 2.07（市区）／1.04（市外）
MCH贮箱体积 l／100km 48．45（市区）／24．34（市外）
MCH贮箱总体积 l ～100
换热器传热总面积 m2 ～0．5
图1所示为简化的随车脱氢流程示意图，其中虚线部分表示一种耦联氢发动机气缸的脱氢反应器〔6〕，见图2所示。
图1 简化的随车脱氢流程示意图 图2 一种耦联氢发动机气缸的脱氢反应器
4 MTH贮氢体系的物流和能流分析
为了对该体系的物流和能流进行系统分析，作者在参考国外文献的基础上，对该分析对象作如下的说明：
（1）分析系统包括电解制氢、甲苯贮氢、MCH贮存和甲苯回收及汽车随车脱氢四个单元。
（2）电解制氢效率为78％〔7〕，采用水电在夏季水源丰富或夜间、周末用电低峰时进行。
（3）甲苯贮氢在电解厂就地进行，根据作者的研究结果，甲苯贮氢的转化率为100％。
（4）小汽车随车脱氢按表3设计参数进行，试验车队的车数为200辆。
（5）系统分析以‘年’计，汽车按每年运行300天，每天行驶200公里（市内）计。
据此，作者对该贮氢技术的能流和物流进行了分析计算，其结果如图3所示。由此可知，该贮氢系统的能效为0.59，即用于驱动小汽车的能量占供给系统总能量的59％。
图3 基于MTH贮氢系统的物流和能流示意图
5 结 论
（1）对一种发动机功率为20kW的小型氢燃料汽车的初步设计研究表明，利用MCH随车脱氢供给小汽车氢燃料是可行的。
（2）基于甲基环已烷—甲苯—氢的MTH贮氢系统，为汽车提供氢燃料时具有较高的能量利用效率，其能效可达0.59，即用于驱动小汽车的能量占供给MTH系统总能量的59％。
（3）冷启动和补充脱氢反应能量要燃烧少量甲苯，较有潜力的这种氢燃料车亦无法实现“零排放”，但作为能源过渡时期的一种氢燃料汽车及氢能源的利用仍有继续研究的必要。
作者单位：陈进富 吴芳云 （石油大学环境工程研究开发中心，北京102200）
参 考 文 献
[1] 陈进富等.贮氢技术及其发展现状.化工进展，1997，1∶10～13
[2] 陈进富等.氢动力车研究与发展现状.新能源，1996，18（5）∶1～7
[3] 陈进富等.有机液体氢化物贮氢新技术研究（Ⅰ）.太阳能学报，1997，18（4）∶409～414
[4] Taube M．Int．J．Hydrogen Energy，1983，8（3）∶213～225
[5] Taube M and Taube P．proe．3th World Hydrogen Energy Conf，1980，1077～1085
[6] Klvana D，et al．Int．J．Hydrogen Energy，1983，8（3）∶213～225
[7] Taube M，etal．Int．J．Hydrogen Energy，1985，10（9）∶595～599
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