氫燃料發動機

早在100 多年前，英國科學家就提出用氫為燃料的理論，但這一理論主要用於利用氫反應發電的原理製成質子交換膜燃料電池。隨着氫燃料技術的進一步發展，出現了將氫氣直接作為發動機燃料的應用，這種氫燃料發動機驅動的汽車比上述電動車更符合“氫燃料汽車”或“燃氫汽車”的稱謂。氫燃料主要用於汽油發動機，國內外都有報道稱已研製成 100%使用氫燃料的汽車，但實際應用的氫燃汽車大多采用氫與汽油或柴油混合的燃料。 ^[1] 

用於車輛燃料用途的氫氣，其隨車儲存的方法須符合安全、佔體積小、容易添加等要求。

主要實用方法有：液氫儲存、金屬氫化物儲存、有機液態儲存等。

氫氣在一定的壓力和温度下呈液態，常壓時液態氫的密度是氣態氫的 845 倍，佔體積小。液氫的體積能量密度高，其單位熱值約為汽油的 3 倍。與金屬氫化物儲存等其它方法相比，液氫儲存時自身的質量最輕。液氫的添加和計量與傳統液態燃料相似，液氫的這些特點有利於車用燃料的儲存要求。

但是，液氫對儲存容器的絕熱和安全性設計要求很高。液氫與環境温度相差很大，蒸發損失及將氣態氫經高壓低温變成液態氫損失使氫液的成本較大，難於大量建立供給站及在民用車輛上應用。

所謂金屬氫化物儲氫，是先將特殊金屬與氫反應生成金屬氫化物，使用時再加熱金屬氫化物釋放氫供作燃料。研究應用的儲氫金屬或合金主要有鈦系、稀土系、鎂系等。

金屬氫化物的儲氫密度接近液態氫，適合於隨車燃料儲存的要求。金屬氫化物儲氫的另一優點是氫原子在合金中儲存及釋放使用過程時不易爆炸，安全性好。奔馳汽車公司生產的以汽油和氫氣共同作燃料的小轎車就是用鈦鐵合金氫化物為貯氫箱。

金屬氫化物儲氫的缺點是儲氫合金性能的衰減。隨着反覆的使用，儲氫合金內部累積應變引起塑性變形或損壞；金屬中與氫親合力小的元素在反應過程中游離減少；原料氣體中的雜質會積存在金屬氫化物內；這些都使金屬變質，其儲氫和放氫能力下降。

這種儲氫方法利用催化裝置把氫寄存於苯、甲苯、甲基環己烷等有機物液體裏，氫在這些有機物液體中可被安全地儲存和運輸。使用氫燃料時，以催化脱氫裝置把氫從有機物液體中脱離出來，而有機物液體脱氫後可再利用。

有機物液體儲氫的方法在儲存及運輸時安全、成本低，儲氫量與金屬氫化物相似，儲氫劑可循環使用。但有機物液體加氫及脱氫反應會消耗較多能量，並需要理想的催化劑。

上述方法所儲的氫較多用於氫燃料電池，供電動車的馬達電源用。對於發動機驅動的“氫燃料汽車”，可直接用甲醇重整等方法獲得氫。常壓、高温狀態時，甲醇等醇類在催化劑作用下能生成氫。甲醇可以從玉米、甘蔗等植物秸杆或煤炭、天然氣等礦物中製取，甲醇重整生成的氫較純。

因為是在高温狀態下生成的氫，氫氣中混有蒸發成分，所以氫燃料不是單純的“氣態”，而是類似於霧化汽油的“汽態”。氫燃料的這種狀態有利於供給傳統燃料發動機使用。 ^[2] 

如上所述，氫燃料在車輛驅動能源方面的應用，起始於把氫燃料電池用作電動車電源。

近代的氫燃料電動車的某些性能可滿足使用要求，如戴克公司的使用 Mark 900 氫燃料電池的NECAR5 電動車，其電動機輸出功率可達 75 k W，最高時速可達 150 km⋅h。

但電動車不可能完全取代汽車，主要是因為電池的壽命遠短於發動機壽命，而且電動車的最大連續行駛里程受到配備電池數量的限制，一般，電動車裝用近百公斤的電池，最大續行駛里程也僅 200 km 左右。尤其是對於數量巨大的在用汽車，不可能將其發動機全報廢而改用電動機驅動。因此近代專業人員一直致力於將氫氣直接作為發動機燃料的研究，一方面適合發動機能源、排放等方面的要求，另一方面又滿足汽車連續行駛里程及能利用在用的發動機。

用作發動機燃料的氫氣，可通過甲醇重整等方法獲得。液態的甲醇便於被汽車加灌和配帶；甲醇能從許多種植物或化工廢料中提取，易於燃料站的設立；這些都有利於氫燃料在傳統發動機上的應用。上世紀90年代，國內外相繼有汽車廠研製出 100%燃燒甲醇的發動機。但這類發動機還停留在實驗室階段，沒有大範圍推廣。主要是由於甲醇的霧化條件、燃燒特性、儲能密度等與傳統燃料汽油、柴油不完全相同，相應對發動機構造要求也不同。各能源按照儲能密度大小排序為：汽油＞甲醇＞氫燃料電池＞鋰系電池＞傳統 Pb 電池。汽油的發熱量是34778 k J，其能量密度約 13073 Wh·kg，遠大於其它能源。因此，以汽油為燃料的汽車連續行駛里程大、加速性能和爬坡性能好。在氫燃料中混合一定汽油(或柴油)，可以充分利用汽油的高儲能密度特性。

實際應用較多的氫燃料發動機，是將氫與汽化的汽油或柴油混合後再燃用，氫在混合燃料中佔30%∼85%。圖 1 是一種氫燃料發動機的燃料供給系簡圖。

圖 1 中，汽油箱中的汽油通過化油器向發動機提供，在不使用氫燃料時與傳統燃料系統相同。附加的氫燃料供給系統由甲醇容器、氫發生器、控制閥、壓力錶等組成，氫發生器串接在排氣管上。甲醇容器中的甲醇進入氫發生器之後，在廢氣餘熱和催化劑作用下裂解生成氫。在發動機汽缸真空度作用下，生成的氫被吸入化油器與汽油混合，混合燃料的濃度可通過化汽器各個閥控制。

國內氫發生器所用的催化劑一般含有鎳、鉑鈀、鉀和鋁等元素，發動機排氣管中的廢氣餘熱為 300℃~780℃。對 492QA2 汽油機作台架及道路試驗表明，發動機使用摻氫汽油後在燃油經濟性和廢氣排放方面有明顯改善，而動力性與燃用純汽油時基本相同。表 1 是一些汽油發動機使用不同燃料時的怠速排放對比。

甲醇的價格是汽油價格的 1/2，以氫氣代替汽油為燃料使成本降低，並緩解對石油的依賴。混合燃料中的氫使燃燒更充分，而且氫燃燒後的主要廢氣是水汽，因此，可大幅減少發動機排放污染。另外，甲醇的裂解反應是吸熱過程，串接在排氣管上的氫發生器吸收了排氣熱量，與消聲器吸收排氣能量的作用一樣能降低排氣噪聲，減少對環境放熱和噪聲。

圖 1 所示的氫燃料發動機的燃料供給系統，不改動原發動機構造，只需要作很少調整和加裝氫燃料供給系統部件，當不用氫燃料時發動機仍可燃用汽油，因此，適合於對在用汽車的改造。尤其對於耗油量大、排放差的汽車，可作為沒條件更新時的過渡措施。