氢燃料汽车

以氢为主要能量作为移动的汽车

氢燃料汽车是指以氢为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机，通常注入柴油或汽油，氢汽车则改为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池的原理是把氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到正极，成为电能驱动电动机；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为纯净的水雾排出。

简介

氢燃料汽车近年来，国际上以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破，

2008年本田将产首批氢燃料汽车

而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。中国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。

氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水和少量氮氧化合物，对空气污染很少。氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此氢能汽车具有广阔的应用前景。推广氢能汽车需要解决三个技术问题：大量制取廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；解决氢气的安全储运问题；解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。目前常见的供给系统有三种，气管定时喷射式、低压缸内喷射式和高压缸内喷射式。随着储氢材料的研究进展，可以为氢能汽车开辟全新的途径。而最近，科学家们研制的高效率氢燃料电池，更减小了氢气损失和热量散失。

原理

众所周知，氢分子通过燃烧与氧分子结合产生热能和水。氢燃料电池通过液态氢与空气中的氧结合而发电，根据此原理而制成的氢燃料电池可以发电用来推动汽车，提供家庭或工业用电或作为手机电池。一原理说起来很简单，但具体分析的话就会发现，其实提炼氢燃料的过程非常复杂，而且能耗也非常高。

氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢内燃车是传统汽油内燃机车的带小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题是氢燃料很快耗尽。载满氢气的油缸只能行驶数英里，很快便没能量。

另一方面，各色各样的方法正在研究以减少耗用的空间，例如用液态氢或氢化物。1807年IsaacdeRivas制造了首辆氢内燃车。可惜该设计甚不成功。宝马的氢内燃车有更多的力量，比氢燃料电池车更快。宝马的氢汽车以三百公里每小时创下了氢汽车的最高速记录。万事达已在开发烧氢的转子引擎。该转子引擎反覆转动，故氢从开口在引擎内的不同部分燃烧，减少突然爆炸这个氢燃料活塞引擎的问题。日本武藏工业大学1990年在第八届世界氢能会议上展出了一部使用液氢储罐的燃氢轿车。它由NISSAN车改装，使用一个容积100L，总重60kg的液氢罐，可以100km/h行驶，排放废气中无CO2。中国研制的燃用氢、汽油混合燃料的城市节能公共汽车进行试验。其他重要汽车生产商如通用汽车和DaimlerChrysler公司，投资在较慢较弱但较有效的氢燃料电池。

储氢方法

传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。研究证明，在一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。其储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。

储氢合金都是固体，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。储氢合金还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热－吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。此外它还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。目前中国已研制成功了一种氢能汽车，它使用储氢材料90千克，可行驶40千米，时速超过50千米。今后，不但汽车会采用燃料电池，飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池，作为其主要或辅助能源。另外由于大量使用的镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染。镍氢电池与镍镉电池相比，具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。发展用储氢合金制造的镍氢电池（Ni－MH），也是未来储氢材料应用的另一个重要领域。

燃料电池

现在可以使用的主要有这样几种：

1、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

1980年研制成功，在650摄氏度下工作，把熔融碳酸盐作为电解质，把送到正极的二氧化碳作为离子载体。不需要催化剂，而且可以使用天然气等其他气体燃料。但是启动时间较长。

2、固体氧化物燃料电池（SOFC）

1980年研制成功，电解质为含有氧化锆等成分的固体陶瓷材料。工作在800~1000摄氏度的高温，离子可以通过陶瓷材料。不需要铂等催化剂。也可以使用其他气体燃料，启动时间也较长。

3、磷酸燃料电池（PAFC）

1967年研制成功，工作温度接近200度，需要催化剂，电解质为磷酸水溶液，在饭店和医院使用较多。

4、固体高分子燃料电池（PEFC）

目前投入研究力量最大的电池，电解质为高分子树脂薄膜，可以实现小型化。工作温度在100度以下，但是需要催化剂。也可以使用甲醇。启动时间也最短。

研究历史

1960年代后期，RogerE.Billings制造了燃料电池的原型。在燃料电池氢汽车的发展主要有三个障碍。

首先，氢的密度很低，就算燃料以液态形式储存在

低温瓶或压缩气体瓶，在那些空间能够储存的能量十分有限，目前国外使用的都是保温箱，储存液态氢。一些科学家已经开始研究固态氢。有些研究已经用特别结晶体来储存氢在较高密度的环境中，而且更安全。另外一种方法是不储存氢分子，而使用氢重组器来从传统燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氢。很多环保分子对此想法不感兴趣，因为它依赖了化石燃料。可是，这是有效的重组程序。使用重组过的汽油或乙醇来推动燃料电池，仍比使用内燃引擎来得有效。现在氢燃料电池，主要使用液氢，低温瓶或压缩气体瓶因为不适用。已经被淘汰。

其次，制造在氢汽车提供电力可靠燃料电池，耗资颇高。科学家努力研究令燃料电池的成本尽量便宜，同时又有足够硬度以抵受撞击和震动这些汽车的基本问题。燃料电池的设计大都脆弱，故不能在那些情况下保存。加上很多设计都需要稀有物如铂作为加速剂，令工作更顺畅，而加速剂可能污染氢的纯净度，不利氢的提供。为了大面积削减成本，必须寻找其它材料作催化剂，停止对铂的使用。

第三个问题是氢可作为能量的携带者而非能源。它必须从化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因为从其他能源到氢又回到能量的转换并非百分百有效）。因为任何能源都有缺点，转换到氢会引起关于如何产生这种能源的政治决定。

最近有方法成功直接从太阳和水，透过金属的催化剂，产生了氢。这或能使从太阳能转成氢有一个便宜、直接、清洁的途径。

内部混合气形成的氢喷射方式

在进气阀关闭后将氢喷入缸内，能有效地提高发动机功率。缸内喷射的氢混合气的热值比汽油混合气高20%，比外部混合气形成的氢发动机高41%。内部混合气形成的氢发动机有两种不同氢喷射类型。

第1种是低压喷射型(喷射压力可低至1MPa) 。氢在压缩行程的前半冲程被喷入缸内，采用火花点火。因为氢是在进气阀关闭后喷入缸内，不会发生回火现象；喷射0-50℃的低温液态氢，因不会发生早燃，可使其功率比汽油机高约20%；若在室温下喷射氢，由于易发生早燃，其功率下降至与汽油机相同的水平。

第2种是高压喷射型。氢在上止点附近喷入缸内，采用炽热表而点火或火花塞点火，其优点是不会发生回火、早燃及爆震，而且压缩比可达12-15，从而提高了热效率，能适用于大缸径发动机。然而，开发这种类型的氢发动机必须采取下列技术措施:①为了使氢能喷入燃烧室内的高压空气中，并使氢喷注贯穿整个燃烧室，喷射压力须大于8MPa，此压力可通过采用液氢泵来获得。②由于氢极易通过喷射阀和阀座间的狭缝泄漏。因此，这些机件须十分精密地加工，并需使用少量润滑油。③与液体燃料相比，氢的密度很小，因而在高压空气中，氢喷注的喷射速度较低，且射程较短，此外，氢的自燃温度为580℃，而柴油为350℃，且氢燃烧火焰的辐射也较弱。所以，氢发动机的燃烧过程，即氢的喷射、混合气形成、着火以及火焰传播均由此而趋向迟缓。因此，要实现快速燃烧，必须合理组织燃烧室内的气体流动。④因氢混合气难以压燃，故必须借助炽热表而或火花点火。虽然这两种点火方式皆可行，但无论是就点火系统的寿命，电能的消耗，还是就预防由于喷嘴泄漏而积聚起来的氢的早燃而言，火花点火方式都更为合适。

氢混合气点火方式

低压喷射火花点火

低压喷射氢发动机适合采用火花点火方式。若通过增加充量并控制早燃，则可得到较大的输出功率。当过量空气系数a< 1.2时易发生早燃，此时，仅可获得相当于或小于汽油机额定功率的输出功率。若喷射氢的温度低至0-50℃，则可防止早燃，最大输出功率将进一步上升。

高压喷射炽热表面点火

根据炽热表而点火试验可知，炽热表而温度高于900℃时，混合气才能可靠地着火。同时还存在实际使用寿命太短、加热点火塞需大容量电池以及喷氢阀产生氢的泄漏时和启动时易发生早燃和回火等问题。

高压喷射火花点火

为了解决高压喷射炽热表面点火存在的问题，可采用火花点火方式。因为氢空气混合气只需较小点火能量便能着火，而且混合气着火界限也较宽广，故相对汽油空气混合气而言，氢空气混合气更适合采用火花点火方式。

试验表明，若喷氢嘴的喷孔与火花塞电极间隙之间的距离缩短，则氢喷束顶端更易到达电极间隙内，从而使着火落后期缩短，燃气压力的升高更趋平稳。因此，氢喷射发动机采用火花点火方式，必须精确布置点火位置和控制点火正时。

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