氢燃料发动机

发展历史

  早在100 多年前，英国科学家就提出用氢为燃料的理论，但这一理论主要用于利用氢反应发电的原理制成质子交换膜燃料电池。随着氢燃料技术的进一步发展，出现了将氢气直接作为发动机燃料的应用，这种氢燃料发动机驱动的汽车比上述电动车更符合“氢燃料汽车”或“燃氢汽车”的称谓。目前氢燃料主要用于汽油发动机，国内外都有报道称已研制成 100%使用氢燃料的汽车，但实际应用的氢燃汽车大多采用氢与汽油或柴油混合的燃料。

氢燃料

用于车辆燃料用途的氢气，其随车储存的方法须符合安全、占体积小、容易添加等要求。

主要实用方法有：液氢储存、金属氢化物储存、有机液态储存等。

液态氢

氢气在一定的压力和温度下呈液态，常压时液态氢的密度是气态氢的 845 倍，占体积小。液氢的体积能量密度高，其单位热值约为汽油的 3 倍。与金属氢化物储存等其它方法相比，液氢储存时自身的质量最轻。液氢的添加和计量与传统液态燃料相似，液氢的这些特点有利于车用燃料的储存要求。

但是，液氢对储存容器的绝热和安全性设计要求很高。液氢与环境温度相差很大，蒸发损失及将气态氢经高压低温变成液态氢损失使氢液的成本较大，难于大量建立供给站及在民用车辆上应用。

金属氢化物储氢

所谓金属氢化物储氢，是先将特殊金属与氢反应生成金属氢化物，使用时再加热金属氢化物释放氢供作燃料。目前研究应用的储氢金属或合金主要有钛系、稀土系、镁系等。

金属氢化物的储氢密度接近液态氢，适合于随车燃料储存的要求。金属氢化物储氢的另一优点是氢原子在合金中储存及释放使用过程时不易爆炸，安全性好。奔驰汽车公司生产的以汽油和氢气共同作燃料的小轿车就是用钛铁合金氢化物为贮氢箱。

金属氢化物储氢的缺点是储氢合金性能的衰减。随着反复的使用，储氢合金内部累积应变引起塑性变形或损坏；金属中与氢亲合力小的元素在反应过程中游离减少；原料气体中的杂质会积存在金属氢化物内；这些都使金属变质，其储氢和放氢能力下降。

有机液体储氢

这种储氢方法利用催化装置把氢寄存于苯、甲苯、甲基环己烷等有机物液体里，氢在这些有机物液体中可被安全地储存和运输。使用氢燃料时，以催化脱氢装置把氢从有机物液体中脱离出来，而有机物液体脱氢后可再利用。

有机物液体储氢的方法在储存及运输时安全、成本低，储氢量与金属氢化物相似，储氢剂可循环使用。但有机物液体加氢及脱氢反应会消耗较多能量，并需要理想的催化剂。

甲醇重整生成氢

上述方法所储的氢较多用于氢燃料电池，供电动车的马达电源用。对于发动机驱动的“氢燃料汽车”，可直接用甲醇重整等方法获得氢。常压、高温状态时，甲醇等醇类在催化剂作用下能生成氢。甲醇可以从玉米、甘蔗等植物秸杆或煤炭、天然气等矿物中制取，甲醇重整生成的氢较纯。

因为是在高温状态下生成的氢，氢气中混有蒸发成分，所以氢燃料不是单纯的“气态”，而是类似于雾化汽油的“汽态”。氢燃料的这种状态有利于供给传统燃料发动机使用。

应用

如上所述，氢燃料在车辆驱动能源方面的应用，起始于把氢燃料电池用作电动车电源。

近代的氢燃料电动车的某些性能可满足使用要求，如戴克公司的使用 Mark 900 氢燃料电池的NECAR5 电动车，其电动机输出功率可达 75 k W，最高时速可达 150 km⋅h。

但电动车不可能完全取代汽车，主要是因为电池的寿命远短于发动机寿命，而且电动车的最大连续行驶里程受到配备电池数量的限制，一般，电动车装用近百公斤的电池，最大续行驶里程也仅 200 km 左右。尤其是对于数量巨大的在用汽车，不可能将其发动机全报废而改用电动机驱动。因此近代专业人员一直致力于将氢气直接作为发动机燃料的研究，一方面适合发动机能源、排放等方面的要求，另一方面又满足汽车连续行驶里程及能利用在用的发动机。

用作发动机燃料的氢气，可通过甲醇重整等方法获得。液态的甲醇便于被汽车加灌和配带；甲醇能从许多种植物或化工废料中提取，易于燃料站的设立；这些都有利于氢燃料在传统发动机上的应用。上世纪90年代，国内外相继有汽车厂研制出 100%燃烧甲醇的发动机。但这类发动机还停留在实验室阶段，没有大范围推广。主要是由于甲醇的雾化条件、燃烧特性、储能密度等与传统燃料汽油、柴油不完全相同，相应对发动机构造要求也不同。各能源按照储能密度大小排序为：汽油 > 甲醇 > 氢燃料电池 > 锂系电池 > 传统 Pb 电池。汽油的发热量是34778 k J，其能量密度约 13073 Wh·kg，远大于其它能源。因此，以汽油为燃料的汽车连续行驶里程大、加速性能和爬坡性能好。在氢燃料中混合一定汽油（或柴油），可以充分利用汽油的高储能密度特性。

目前实际应用较多的氢燃料发动机，是将氢与汽化的汽油或柴油混合后再燃用，氢在混合燃料中占30%∼85%。图 1 是一种氢燃料发动机的燃料供给系简图。

图 1 中，汽油箱中的汽油通过化油器向发动机提供，在不使用氢燃料时与传统燃料系统相同。附加的氢燃料供给系统由甲醇容器、氢发生器、控制阀、压力表等组成，氢发生器串接在排气管上。甲醇容器中的甲醇进入氢发生器之后，在废气余热和催化剂作用下裂解生成氢。在发动机汽缸真空度作用下，生成的氢被吸入化油器与汽油混合，混合燃料的浓度可通过化汽器各个阀控制。

图一

国内氢发生器所用的催化剂一般含有镍、铂钯、钾和铝等元素，发动机排气管中的废气余热为 300℃~780℃。对 492QA2 汽油机作台架及道路试验表明，发动机使用掺氢汽油后在燃油经济性和废气排放方面有明显改善，而动力性与燃用纯汽油时基本相同。表 1 是一些汽油发动机使用不同燃料时的怠速排放对比。

甲醇的价格是汽油价格的 1/2，以氢气代替汽油为燃料使成本降低，并缓解对石油的依赖。混合燃料中的氢使燃烧更充分，而且氢燃烧后的主要废气是水汽，因此，可大幅减少发动机排放污染。另外，甲醇的裂解反应是吸热过程，串接在排气管上的氢发生器吸收了排气热量，与消声器吸收排气能量的作用一样能降低排气噪声，减少对环境放热和噪声。

图 1 所示的氢燃料发动机的燃料供给系统，不改动原发动机构造，只需要作很少调整和加装氢燃料供给系统部件，当不用氢燃料时发动机仍可燃用汽油，因此，适合于对在用汽车的改造。尤其对于耗油量大、排放差的汽车，可作为没条件更新时的过渡措施。

图二