氫燃料汽車

氫燃料汽車近年來，國際上以氫為燃料的“燃料電池發動機”技術取得重大突破，

2008年本田將產首批氫燃料汽車

而“燃料電池汽車”已成為推動“氫經濟”的發動機。用氫氣作燃料有許多優點，首先是乾淨衞生，氫氣燃燒後的產物是水，不會污染環境，其次是氫氣在燃燒時比汽油的發熱量高。在1965年，外國的科學家們就已設計出了能在馬路上行駛的氫能汽車。中國也在1980年成功地造出了第一輛氫能汽車，可乘坐12人，貯存氫材料90公斤。氫能汽車行車路遠，使用的壽命長，最大的優點是不污染環境。

氫是可以取代石油的燃料，其燃燒產物是水和少量氮氧化合物，對空氣污染很少。氫氣可以從電解水、煤的氣化中大量製取，而且不需要對汽車發動機進行大的改裝，因此氫能汽車具有廣闊的應用前景。推廣氫能汽車需要解決三個技術問題：大量製取廉價氫氣的方法，傳統的電解方法價格昂貴，且耗費其他資源，無法推廣；解決氫氣的安全儲運問題；解決汽車所需的高性能、廉價的氫供給系統。目前常見的供給系統有三種，氣管定時噴射式、低壓缸內噴射式和高壓缸內噴射式。隨着儲氫材料的研究進展，可以為氫能汽車開闢全新的途徑。而最近，科學家們研製的高效率氫燃料電池，更減小了氫氣損失和熱量散失。

眾所周知，氫分子通過燃燒與氧分子結合產生熱能和水。氫燃料電池通過液態氫與空氣中的氧結合而發電，根據此原理而製成的氫燃料電池可以發電用來推動汽車，提供家庭或工業用電或作為手機電池。一原理説起來很簡單，但具體分析的話就會發現，其實提煉氫燃料的過程非常複雜，而且能耗也非常高。

氫內燃車和氫燃料電池車不同。氫內燃車是傳統汽油內燃機車的帶小量改動的版本。氫內燃直接燃燒氫，不使用其他燃料或產生水蒸氣排出。這些車的問題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數英里，很快便沒能量。

另一方面，各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間，例如用液態氫或氫化物。1807年IsaacdeRivas製造了首輛氫內燃車。可惜該設計甚不成功。寶馬的氫內燃車有更多的力量，比氫燃料電池車更快。寶馬的氫汽車以三百公里每小時創下了氫汽車的最高速記錄。萬事達已在開發燒氫的轉子引擎。該轉子引擎反覆轉動，故氫從開口在引擎內的不同部分燃燒，減少突然爆炸這個氫燃料活塞引擎的問題。日本武藏工業大學1990年在第八屆世界氫能會議上展出了一部使用液氫儲罐的燃氫轎車。它由NISSAN車改裝，使用一個容積100L，總重60kg的液氫罐，可以100km/h行駛，排放廢氣中無CO2。中國研製的燃用氫、汽油混合燃料的城市節能公共汽車進行試驗。其他重要汽車生產商如通用汽車和DaimlerChrysler公司，投資在較慢較弱但較有效的氫燃料電池。

傳統儲氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態氫，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡便的儲氫方法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。研究證明，在一定的温度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。其後，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金。其儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同温度、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。

儲氫合金都是固體，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存於其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。目前研究發展中的儲氫合金，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。 儲氫合金還有將儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能。儲氫合金在吸氫時放熱，在放氫時吸熱，利用這種放熱－吸熱循環，可進行熱的儲存和傳輸，製造製冷或採暖設備。此外它還可以用於提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，採用儲氫合金，可以以很低的成本獲得純度高於99.9999%的超純氫。儲氫合金的飛速發展，給氫氣的利用開闢了一條廣闊的道路。目前中國已研製成功了一種氫能汽車，它使用儲氫材料90千克，可行駛40千米，時速超過50千米。今後，不但汽車會採用燃料電池，飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池，作為其主要或輔助能源。另外由於大量使用的鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理複雜，環境受到污染。鎳氫電池與鎳鎘電池相比，具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優點。發展用儲氫合金製造的鎳氫電池（Ni－MH），也是未來儲氫材料應用的另一個重要領域。

現在可以使用的主要有這樣幾種：

1、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

1980年研製成功，在650攝氏度下工作，把熔融碳酸鹽作為電解質，把送到正極的二氧化碳作為離子載體。不需要催化劑，而且可以使用天然氣等其他氣體燃料。但是啓動時間較長。

2、固體氧化物燃料電池（SOFC）

1980年研製成功，電解質為含有氧化鋯等成分的固體陶瓷材料。工作在800~1000攝氏度的高温，離子可以通過陶瓷材料。不需要鉑等催化劑。也可以使用其他氣體燃料，啓動時間也較長。

3、磷酸燃料電池（PAFC）

1967年研製成功，工作温度接近200度，需要催化劑，電解質為磷酸水溶液，在飯店和醫院使用較多。

4、固體高分子燃料電池（PEFC）

目前投入研究力量最大的電池，電解質為高分子樹脂薄膜，可以實現小型化。工作温度在100度以下，但是需要催化劑。也可以使用甲醇。啓動時間也最短。

1960年代後期，RogerE.Billings製造了燃料電池的原型。在燃料電池氫汽車的發展主要有三個障礙。

首先，氫的密度很低，就算燃料以液態形式儲存在

低温瓶或壓縮氣體瓶，在那些空間能夠儲存的能量十分有限，目前國外使用的都是保温箱，儲存液態氫。一些科學家已經開始研究固態氫。有些研究已經用特別結晶體來儲存氫在較高密度的環境中，而且更安全。另外一種方法是不儲存氫分子，而使用氫重組器來從傳統燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氫。很多環保分子對此想法不感興趣，因為它依賴了化石燃料。可是，這是有效的重組程序。使用重組過的汽油或乙醇來推動燃料電池，仍比使用內燃引擎來得有效。現在氫燃料電池，主要使用液氫，低温瓶或壓縮氣體瓶因為不適用。已經被淘汰。

其次，製造在氫汽車提供電力可靠燃料電池，耗資頗高。科學家努力研究令燃料電池的成本儘量便宜，同時又有足夠硬度以抵受撞擊和震動這些汽車的基本問題。燃料電池的設計大都脆弱，故不能在那些情況下保存。加上很多設計都需要稀有物如鉑作為加速劑，令工作更順暢，而加速劑可能污染氫的純淨度，不利氫的提供。為了大面積削減成本，必須尋找其它材料作催化劑，停止對鉑的使用。

第三個問題是氫可作為能量的攜帶者而非能源。它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失（因為從其他能源到氫又回到能量的轉換並非百分百有效）。因為任何能源都有缺點，轉換到氫會引起關於如何產生這種能源的政治決定。

最近有方法成功直接從太陽和水，透過金屬的催化劑，產生了氫。這或能使從太陽能轉成氫有一個便宜、直接、清潔的途徑。 ^[1] 

在進氣閥關閉後將氫噴入缸內，能有效地提高發動機功率。缸內噴射的氫混合氣的熱值比汽油混合氣高20%，比外部混合氣形成的氫發動機高41%。內部混合氣形成的氫發動機有兩種不同氫噴射類型。

第1種是低壓噴射型(噴射壓力可低至1MPa) 。氫在壓縮行程的前半衝程被噴入缸內，採用火花點火。因為氫是在進氣閥關閉後噴入缸內，不會發生回火現象；噴射0-50℃的低温液態氫，因不會發生早燃，可使其功率比汽油機高約20%；若在室温下噴射氫，由於易發生早燃，其功率下降至與汽油機相同的水平。

第2種是高壓噴射型。氫在上止點附近噴入缸內，採用熾熱表而點火或火花塞點火，其優點是不會發生回火、早燃及爆震，而且壓縮比可達12-15，從而提高了熱效率，能適用於大缸徑發動機。然而，開發這種類型的氫發動機必須採取下列技術措施:①為了使氫能噴入燃燒室內的高壓空氣中，並使氫噴注貫穿整個燃燒室，噴射壓力須大於8MPa，此壓力可通過採用液氫泵來獲得。②由於氫極易通過噴射閥和閥座間的狹縫泄漏。因此，這些機件須十分精密地加工，並需使用少量潤滑油。③與液體燃料相比，氫的密度很小，因而在高壓空氣中，氫噴注的噴射速度較低，且射程較短，此外，氫的自燃温度為580℃，而柴油為350℃，且氫燃燒火焰的輻射也較弱。所以，氫發動機的燃燒過程，即氫的噴射、混合氣形成、着火以及火焰傳播均由此而趨向遲緩。因此，要實現快速燃燒，必須合理組織燃燒室內的氣體流動。④因氫混合氣難以壓燃，故必須藉助熾熱表而或火花點火。雖然這兩種點火方式皆可行，但無論是就點火系統的壽命，電能的消耗，還是就預防由於噴嘴泄漏而積聚起來的氫的早燃而言，火花點火方式都更為合適。 ^[2] 

低壓噴射氫發動機適合採用火花點火方式。若通過增加充量並控制早燃，則可得到較大的輸出功率。當過量空氣係數a< 1.2時易發生早燃，此時，僅可獲得相當於或小於汽油機額定功率的輸出功率。若噴射氫的温度低至0-50℃，則可防止早燃，最大輸出功率將進一步上升。

根據熾熱表而點火試驗可知，熾熱表而温度高於900℃時，混合氣才能可靠地着火。同時還存在實際使用壽命太短、加熱點火塞需大容量電池以及噴氫閥產生氫的泄漏時和啓動時易發生早燃和回火等問題。

為了解決高壓噴射熾熱表面點火存在的問題，可採用火花點火方式。因為氫空氣混合氣只需較小點火能量便能着火，而且混合氣着火界限也較寬廣，故相對汽油空氣混合氣而言，氫空氣混合氣更適合採用火花點火方式。

試驗表明，若噴氫嘴的噴孔與火花塞電極間隙之間的距離縮短，則氫噴束頂端更易到達電極間隙內，從而使着火落後期縮短，燃氣壓力的升高更趨平穩。因此，氫噴射發動機採用火花點火方式，必須精確佈置點火位置和控制點火正時。 ^[3]