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，

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，首先是乾淨衛生，氫氣燃燒后的產物是水，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。隨著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。一原理說起來很簡單，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度記錄。萬事達已經在開發氫的轉子引擎。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，在一定的溫度和壓力條件下，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，是相同溫度、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，利用這种放熱－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。但是啟動時間較長。

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攝氏度的高溫，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，啟動時間也較長。

3、磷酸燃料電池（PAFC）

1967年研製成功，工作溫度接近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。工作溫度在100度以下，但是需要催化劑。也可以使用甲醇。啟動時間也最短。

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

低溫瓶或壓縮氣體瓶，在那些空間能夠儲存的能量十分有限，而氫汽車比起其他汽車就十分受限。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。

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盡量便宜，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凈度，不利氫的提供。

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。

氫燃料電池代價太大

1、一般情況下，我們要獲得氫，都會從水裡分解出來，這就需要用到電，需要將交流電轉化成直流電，這過程將使得氫分子中的能連損失2%-3%

2、接下來我們開始電解水，在此過程中能效只能達到7

0%，其餘30%的能量被消耗掉。

3、經過上述兩個過程，我們獲得了氫氣，但是由於是氣體，因此其體積非常大，這個就需要我們用10000磅/平方英寸的大氣壓強對氫氣進行壓縮處理，這個過程又將耗能15%，即便是經過了這一系列處理，同等質量的氫燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有，並且要貯存這些氫燃料需要很大的存儲設備。此外，為了保持氫燃料電池的穩定，我們還要將溫度控制在零下253度，這一過程再次耗能30%-40%。

4、在運輸過程中，由於我們很難保持零下253度的恆溫，因此我們還將損失10%的能量。

5、而在氫燃料被注入汽車前，我們又損失了大約50%的能量。

6、最終我們還將損失10%的能量，因為氫能汽車的能效只有90%。

綜合上述所有的過程，我們要驅動一輛氫能汽車的能耗高達80%，從節能降耗的角度來看，氫能汽車不達標。

一般人認為，以氫燃料為動力的汽車只會產生水，事實也的確是這樣，那為什麼說氫燃料汽車並不環保呢？環球能源網認為，我們必須從其生產原料上來分析，由於技術水平並不先進，以及考慮到成本等的問題，世界上很多國家的氫燃料的生產並不是以水為原料，而是以天然氣作為生產原料，先前講到了，如果要電解水取得氫氣，那需要很大的能量消耗，而且要生產出能量值與普通汽油燃料相當的氫燃料，我們就需要大量的水資源，水同樣也是我們這個星球稀缺的資源，因為我們這裡講到的水是淡

水，而不是海水。而天然氣的貯存方式相對成熟得多，而且我們可以用並不算多的天然氣生產出能量值與普通汽油燃料相當氫燃料。因此，作為氫燃料生產商來說，為了降低生產成本，他們寧願選擇天然氣。問題就出在這裡，天然氣也屬於化石能源的範疇，那麼使用它就必定會產生大量的二氧化碳，從這個層面上來講，我們的氫能汽車並不環保。

除了從節能和環保的角度來分析氫能汽車的未來，我們還應該從經濟層面來審視一下其發展現狀，如今我們很多的加油站都是以提供化石燃料為主，而沒有單獨提供氫能燃料的場所，如果我們要利用起的加油站，那麼就必須修建大量的輸送管道，而且這樣做的前提是，氫能汽車的數量一定要達到一個合適的規模，數量過少的話，那修建輸送管道的成本就顯得有點高了。而如今，我們只能從一些新能源展會上才能看到氫燃料電池汽車的身影，大街上主要行駛的還是普通汽油驅動的汽車，即便是在巴西這樣的新能源汽車大國，其80%以上的汽車使用的也是乙醇，而非氫燃料電池。因此在可以預見的將來，我們還很難將氫燃料電池汽車推廣出去，至少在工藝上我們還不過關。

“氫能汽車上路還需15年”，國際油價持續飆升，讓人叫苦不迭。美國政府提出以氫燃料電池車為主要措施解決美國交通能源問題，這似乎帶來了美好希望。不過，麻省理工學院的一些能源專家日前則提醒公眾，氫燃料電池車真正要“跑起來”，至少還需要15年的時間。

對於氫燃料電池車上路的時間表，麻省理工學

院(MIT)能源委員會近日出台報告說，與目前的車輛相比，性能與價格具有競爭力的氫燃料電池車真能“上路”、“跑起來”，至少還需要15年；而要讓氫燃料電池車被大規模採用，達到明顯降低現有車輛對石油依賴程度的目的，可能還需要50年的時間。

MIT能源委員會的約翰•海伍特教授指出，作為一項頗具潛力的、能替代石油燃料的技術措施，氫燃料電池車目前的“路障”涉及到氫燃料的生產、儲存和輸送基礎設施，以及燃料電池的成本等問題。他強調，發展所謂的以氫為燃料的“氫交通經濟”確實是一個巨大的挑戰。即便價格與性能被公眾接受，氫燃料電池車還需要幾十年的時間才能被大規模採用。

海伍特解釋說，氫燃料電池車的推廣要受許多因素的制約。首先，新技術車輛大規模應用是早還是晚，主要受到現有車輛平均壽命的限制。目前車輛平均壽命是15年。無論是先進的內燃發動機車、混合車，還是氫燃料電池車，即使有人買了這些具有新技術的車輛，目前大多數車主需要15年才能換車，這些年內，舊車還會在路上跑，還會在繼續燒汽油，繼續排放二氧化碳等溫室氣體。

第二，配有新技術的車輛在廠家生產車間，從第一台到批量生產一般需要幾年的時間，到大規模推廣又得幾年之後。拿油電混合車來說，混合車有全新的技術，但市場份額卻增長緩慢。混合車在美國1999年上市，到目前為止市場份額卻只有1%。

第三，從推廣氫燃料電池車對解決交通石油燃料危機的影響角度說，歐洲過去25年推廣柴油發動機的經驗表明，短期內節省燃料有效措施並不一定來自全新的技術，而在於如何在現有車輛技術基礎上更好地進行改進，更經濟地使用燃料。

MIT能源專家在報告中預計，即使研製出具有價格和性能競爭力的氫燃料電池車，還將需要25年左右的時間，才能使其佔新車和輕型卡車銷售的份額達到35%，而要使氫燃料電池車替代現有35%的車輛的話，還會再需要20年左右的時間。在討論氫燃料電池車時間表的同時，專家們也給政府交通能源政策出了不少主意。他們認為，與氫燃料電池車的情況相比，目前改進內燃發動機性能、減輕車輛重量等措施，倒是有可能對減少車輛過度耗油產生“立竿見影”的效果。先進的內燃發動機、清潔的柴油發動機以及油電混合車在未來30年內將對節省交通石油燃料產生很大的影響。MIT的專家們還認為，應該大力提倡一些新技術措施，包括發展油耗低的經濟型車輛，從嚴修訂車輛燃料經濟性標準，提高汽油消費稅等，當然，這些需要政府牽頭鼓勵汽車廠家實施以及公眾積極配合，才能實現減少車輛過度耗油的目的。不過，他們也承認，有效降低美國的巨大交通石油燃料消費量，確實是一大挑戰。他們的好想法並不一定會被美國民眾廣泛接受和採納。因為長期以來，美國汽車文化中並沒有太多地考慮節約石油，而是一味地追求車輛的舒適性。同時，對於那些能很快舒緩車輛過度耗油問題、潛力巨大的技術措施，美國政府也並沒有像熱衷“氫經濟”計劃項目那樣，予以大力支持和足夠的投資。

中國在氫能汽車研發領域取得重大突破，已成功開發出氫能

燃料電池汽車性能樣車。目前，國內在燃料電池發動機方面已取得大功率氫—空燃料電池組製備的關鍵技術，轎車用凈輸出30kW、客車用凈輸出60kW和100kW的燃料電池發動機，已在同濟大學和清華大學燃料電池發動機測試基地分別通過了嚴格的測試並裝車運行，燃料電池轎車已經累計運行4000多公里，燃料電池客車累計運行超過8000公里。此前，以氫氣為能源的燃料電池汽車被列入國家“863”計劃，科技部投入1．2億元支持燃料電池汽車和相關技術的研發。此外，國內研發的燃料電池汽車在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均得到較大提高。國內汽車企業還開發出100多種燃氣汽車，在19個城市開展了推廣應用；國內自主研發的純電動汽車、混合動力汽車，也已開始示範運行

中國氫能汽車發展與推廣，能源短缺、環境污染、全

球氣候變化……令開發清潔、高效、安全和可持續的能源迫在眉睫，其中，氫能正在受到越來越多國家的重視.5月底的一天，北京凱賓斯基飯店門前的小展廳，停放著一輛銀色家用轎車，車的左側被摘掉，甲板是透明的，參觀者望去，車內與一般4座家用轎車無異。

透過甲板，可以看到兩個比煤氣罐略窄的罐子，據介紹，這兩個罐子是用來裝氫燃料的。罐子前方貼著一個像小案板一樣的片狀物，這是一個將氫轉換為電的設備。這是戴姆勒-克萊斯勒公司生產的燃料電動汽車，它最大的優點是，排放物僅僅是水，沒有任何污染。未來人們駕駛的汽車，可能大多數都是這樣的。這樣的汽車中國企業現在也能生產，在凱賓斯基飯店內的展廳里，上海燃料電池汽車動力系統公司生產的基於桑塔納2000車型的“超越1號”樣車，同樣引起許多人的注意。

氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的能源，被視為21世

紀最具發展潛力的清潔能源，開發氫能已引起各國的高度重視。2003年11月，澳大利亞、巴西、加拿大、中國、法國、德國、冰島、印度、義大利、日本、挪威、韓國、俄羅斯、英國、美國15個國家和歐盟代表在美國華盛頓共同簽署非約束性的“氫能經濟國際合作夥伴計劃”參考條款。“氫能經濟國際合作夥伴計劃”下設指導委員會和執行及聯絡委員會。

“氫能經濟國際合作夥伴計劃”下設的指導委員會在北京召開了第二次會議。與會議同時召開的還有第二屆國際氫能論壇。從這兩個會議上透露出的信息表明，近年來，美國、日本、歐盟都制定了氫能發展規劃，投入大量經費支持氫能開發和應用示範活動。美國政府宣布今後5年撥款17億美元支持氫能開發；歐盟也撥專款研究氫能轉換技術和燃料電池，歐洲10個城市已從2003年開始示範運行商業化的燃料電池公共汽車。

中國科技部秘書長透露，中國政府正在研究到2020年的能源戰略，氫能利用被列為重點發展的方向之一。科技部安排了一批氫能轉換技術研發與應用示範項目，科研人員已在一些關鍵技術上取得顯著進展，自主研製的燃料電池轎車、客車已實驗運行2000多公里。莫約翰則對《財經時報》分析說，傳統汽車經過多年發展，已有了非常完善的基礎設施(加油站設置、油品生產等)，而要培養新的基礎設施，需要巨額投資，這對企業充滿風險。但對發展中的中國來講，相對來說，更有機會採用這種新技術、新能源。

加氫站

國際油價持續走高，許多國家都在尋找替代能源。近日，

通用汽車與殼牌氫能源公司在美國首都華盛頓聯合推出了全美第一個加氫加油站，為普通汽車提供加油服務，並為燃料電池車加氫。加氫設施與普通加油站內的設施沒有太大區別，加氫過程與一般汽油車加油類似。加氫站面積比一般加油站大，由氫氣分離廠和加氣台兩部分組成。氫氣分離廠內設有氫氣分離罐，工程人員向罐內輸入水，在電力的作用下，水便分離成氫氣和氧氣。分離出的氧氣通過管道向空中釋放，同時將氫氣收集在密封壓力罐內加壓、儲存，再通過高壓管道為氫汽車加氫。氫是易燃物，所以人們首先會想到加氫站和氫汽車的安全性。據專家介紹，加氫站內的高壓罐和管道的壓力雖然高達5700大氣壓單位，但科研人員成功地解決了管道壓力問題，顧客加氫時絕對安全。氫汽車不以燃燒氫氣為動力，而是經由汽車內的燃料電池與氫氣反應，產生電流作為動力。

在進氣閥關閉后將氫噴入缸內，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后噴入缸內，不會發生回火現象；噴射0-50℃的低溫液態氫，因不會發生早燃，可使其功率比汽油機高約20%；若在室溫下噴射氫，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，氫的自燃溫度為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、著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。

低壓噴射火花點火

低壓噴射氫發動機適合採用火花點火的方式。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。若噴射氫的溫度低至0-50℃，則可防止早燃，最大輸出功率將進一步上升。

高壓噴射熾熱表面點火

根據熾熱表而點火試驗可知，熾熱表而溫度高於900℃時，混合氣才能可靠地著火。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啟動時易發生早燃和回火等問題。

高壓噴射火花點火

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著火，而且混合氣著火界限也較寬廣，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，從而使著火落後期縮短，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，必須精確布置點火位置和控制點火正時。