氫燃燒

在法國小說《神秋·島》中有句話：“我相信，總有一天氫氣和氧氣會造成產生光和熱的無盡源泉”。氧氣助燃，氫氣可以燃燒。地球上的物質66%是由氫組成的。最方便的是用水制氫，氫氣燃燒作功或發電作功之後又還原成水，如此循環不止，取之不盡，用之不竭。因此，氫氣也是人們可方便利用的一種新能源。

燃燒分為預混合燃燒和擴散燃燒兩種方式，擴散燃燒是燃燒和空氣邊混合邊燃燒，反應過程取決於混合速度和燃燒速度；預混合燃燒是燃料和空氣混合好以後才進入燃燒反應區，反應過程則只取決於燃燒速度。對於氫而言，其燃燒生成的污染物僅有熱力型NOx，影響其生成的主要因素是燃燒區溫度和氧濃度及燃燒停留時間。採用擴散燃燒將不可避免的出現局部高溫區和局部氧過濃區，這對抑制熱力型NOx的生成是極為不利的，而預混合燃燒則不同，在氫氣和空氣進入燃燒區之前已經混合好，故在燃燒區不會因化學當量比燃燒出現局部高溫區，也不會產生局部的氧氣過濃區，燃燒區內反應物濃度和溫度的空間分佈相對較均一，便於有效組織控制熱力型NOx的生成。

氫的發熱值雖然比核燃料低，但卻是所有的化石燃料，化工燃料和生物燃料中最高的，約1.4x10 kJ/kg，是汽油發熱值的3倍：氫的燃燒性好，點燃快，與空氣混合時具有廣泛的可燃範圍，並且燃點高，燃燒速度快；燃燒后的產物是水，基本沒有污染環境的問題，而且生成物是水，可以循環利用。氫屬於潔凈的燃料，其燃燒性能很特殊，故需研製相應的燃燒裝置。此外如採用催化劑，還可以在無火焰狀態下發出一般要求的任意溫度。還可以考慮與其它燃料混合的方案。

氫燃燒也可以獲取能量，但是存在著諸多缺陷，如能量品位低及由於較高的燃燒溫度所產生的氮氧化物NOx污染等，傳統的內燃機燃用氫氣就具有很高的NOx排放．目前有一些可應用的方法來降低NOx的排放，如催化燃燒及低NOx燃燒器。還有一種方法是化學鏈無焰燃燒，很有發展前景。它包括兩個反應：金屬氧化物與氫氣的還原反應和金屬與加壓空氣的氧化反應。因為屬於無焰燃燒，所以反應過程中不會有氮氧化物NOx生成。以往熱動力裝置所使用的能源一般為汽油、重油等化石碳化氫燃料，均屬於有限資源，最近人們開始重視了以氫作內燃機燃料。系統圖如圖1.1所示。氫燃燒是氫能利用的一種有效方式，但是從環保角度而言，還有很多問題有待解決。化學鏈無焰燃燒顯示出一定前景，但是系統裝置設計仍有待完善。

氫氣燃燒具有著火範圍寬，火焰傳播速度快和點火能量低等特性，故其燃燒效率比其他燃料要高。燃燒氫氣的器具是氫燃燒的關鍵設備。氫氣還是一種理想的潔凈燃料，其優點在於燃燒后沒有及煙塵等污染物生成。它可以代替生成上述污染物的化石燃料，在工業和人民生活中可以獲得廣泛應用。但是利用氫燃燒存在兩個問題：如果採用通常的擴散火焰燃燒，則高溫下與反應，燃燒產物中含有大量對人體有害的污染物；如果採用預混合火焰燃燒，產物中的生成量可以很大程度的降低，但是容易造成回火使燃燒器燒壞，而不能保證安全燃燒。日前有兩種方法可以解決這一對矛盾：一種是改進空氣吸入型燃燒器的結構，使空氣由火焰內部和火焰外部兩路供入，使得NOx生成量降低；這種燃燒器使用於高溫(>12000C)和供熱強度大的裝置，但是在操作時需要很好的控制燃燒條件以免回火。另一種是採用催化燃燒器，使氫氣與空氣通過固體催化劑層進行催化無焰燃燒；此類燃燒安全，生成量少，使用於溫度低(<500oc)，熱強度小的燃燒裝置；應用性能優良的催化劑可以在室溫下將氫和空氣點燃，也可以用廉價的催化劑，既可以防止回火又可以獲得良好的燃燒效率。

（1）濃淡燃燒技術

濃淡燃燒技術是在富氧燃燒和貧氧燃燒的結合，因為富氧燃燒和貧氧燃燒都極大地能夠降低NOx的產生，在一個燃燒器內形成過濃和燃料稀薄燃燒，避開了極易生成NOx的理論混合比，而氫燃燒所產生的NOx主要是熱力型NOx，故採用氫的濃淡燃燒技術可以大幅度地降低NOx的排放。組織煤粉濃淡燃燒過濃側的當量比為1:4的時候，燃燒條件將有利於產生快速型NOx，但是對於氫燃料而言，卻不具有這種問題，因為氫氣燃燒過程中不存在促使快速型NOx生成的CHI基團。影響氫的濃淡燃燒NOx排放的主要因素：淡氫氣側空氣的過量係數；整體空氣當量比和供應熱量的大小等。

（2）氫與純氧的燃燒

氫燃燒生成的污染物主要就是NOx，如果能夠在氫燃燒的過程中降低氮的濃度，這對於控制NOx的排放無疑是十分有效的。降低氮濃度的方法在空氣燃燒時是不可能的，但是在使用富氧空氣或純氧作為氧化劑燃燒時可以形成低氮燃燒。

純氧燃燒不僅在理論上可以使得熱力型NOx的生成降為零，而且，由於燃燒氣體中不含有與熱輻射有關的氮氣，因而具有能強化火焰的輻射傳熱以及提高傳熱效率的優點，徹底消除NOx的生成，從而實現氫燃燒的零排放。不過該技術在實際應用還存在一些問題，如制純氧的高能耗，燃燒器對高溫火焰的耐受性以及當燃燒器里混入被視為雜質的微量氮氣或空氣就會產生高濃度的NOx等急待解決的問題。此外，純氧燃燒技術中的許多機理問題還需要人們做深入的探討。

（3）氫的化學鏈燃燒技術

化學鏈燃燒技術(Chemical-loopingCombustion，CLC)在20世紀80年代就被提出來作為常規燃燒的替代。化學鏈燃燒技術的能量釋放機理是通過燃料和空氣不直接接觸的無火焰化學反應，打破了自古以來的火焰燃燒概念。這種新的能量釋放方法是新一代的能源動力系統，它開拓了根除NOx產生的新途徑。氫的化學鏈燃燒技術原理：一是氫與金屬氧化物的反應：

一是金屬的氧化反應：

金屬氧化物(MO)與金屬(M)在兩個反應之間循環使用，一方面分離空氣中的氧，另一方面傳遞氧。通過該反應機理氫所放出的熱量與氫，氧直接燃燒所放出的熱量等同。但是，卻克服了氫/氧直接燃燒時制純氧所消耗的能量和燃燒后水蒸氣帶走大量能量的致命缺陷。氫的化學鏈燃燒技術具有其它燃燒技術不可比擬的優越性，不僅氫能的利用效率高，考慮到環境因素，還能夠完全消除NOx的生成，因為金屬與氧氣的氧化反應是無火焰化學反應，這完全區別於傳統的燃燒方式。

（4）氫的選擇催化燃燒技術

氫的選擇催化燃燒技術，是在一定的溫度和壓力下，通過調控催化劑孔隙的大小，對經過的碳氫類燃料進行氫的選擇性燃燒。研究表明，催化劑的還原能力愈強，氫燃燒的催化活性也就愈高。

（5）氫的催化燃燒技術

燃燒催化劑按活性組分可以分為貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑雖然活性較高，但是價格及其昂貴，高溫下易流失。使得其應用受到限制，相對來說，非貴金屬催化劑更具有應用潛力。廉價易得的Y-AIO是最為常見的催化劑載體，具有很高的比表面積。鉑、鈀、鈷、錳等均可以實現低溫燃燒並且具有較好的活性、耐熱性、壽命和經濟性。催化劑脫除NOx是由擴散控制的化學反應，N0x在催化劑截面的均勻分佈利於反應的進行，另外，為了防止較大的NOx負荷及增大停留時間充分吸附，氣體流速不宜過高。

使氫氣轉變為汽車動能有兩種主要途徑：

(1)氫氣作為車用內燃機燃料燃燒作功；

(2)氫氣應用於燃料電池。

但燃料電池系統在能量密度、體積、質量、反應速度及成本等方面的問題還未很好解決，相關技術距實用還有相當一段距離。而用氫氣作為內燃機燃料，既可以實現氫能源清潔、可再生的特點，又可以利用目前已經充分建立起來的內燃機工業基礎，且氫氣發動機熱效率較高，綜合效率與燃料電池效率相當，生產及使用成本低，在使用性能、成本等方面較容易被廣大用戶所接受。

因此，以氫氣作為內燃機燃料已經被車輛行業公認為是近階段氫能用於汽車的顯現實、最經濟的途徑。

以氫為燃料的汽車開發研究經歷了一個曲折的過程。

早在1920年就有人將氫作為燃料在發動機中試驗，但進展不大。

20世紀70年代的石油危機給各國敲響了警鐘，對氫的研究開始受到人們的關注。此後，石油供應又趨於穩定，氫氣汽車的研究又停滯下來。

進入20世紀90年代，由於大氣中CO：的增加，地球的溫室效應日益嚴重。而氫氣燃燒不產生CO，，所以氫氣發動機的研究開發再次引起人們的重視。目前，美、德、日等發達國家對其研究方興末艾。

美國福特公司開發的U型概念車既可以用汽油，也可以用氫氣作燃料。招待公司宣稱，氫氣能夠將內燃機效率提高25%。30%，而這一效率已和氫燃料電池大致一樣。在氫燃料內燃機工作過程中，包括CO2：在內的污染物排放幾乎可以忽略不計。

賓士公司自20世紀70年代就開始了這一領域的預研工作，1978年開發了第一輛氫燃料祥車，採用氫與空氣均勻混合后從發動機進氣管吸人氣缸的供給方式。近幾年賓士公司又將包燃科項目列入進一步的研究題“HYPASS”，開展氫氣缸內噴射的氫燃料樣車試驗。

寶馬公司從1978年開始開發以氫氣為燃料的內燃機汽車。由柴油機/汽油機的改造到現在已經研發了6代氫燃料內燃機驅動的轎車。寶馬公司在BMw 735i轎車上進行研究試驗，配備採用氫氣為燃料的3.5L 6缸火花點火式發動機。

氫氣採用液態貯存方式，每次加註燃料可供汽車行駛299km：該車保留了原來的汽油噴射系統，可以選擇汽油或氫氣燃料工作。氫氣採用多點噴射方式，可防止回火，且進一步提高了效率。2004年9月，寶馬集團在法國Miramas用一部名為H2R的氫內燃機驅動的汽車創造了9項速度紀錄。該車裝備6L v12氫燃料內燃機，最大功率為210kw，0~100km/h加速約6s，最高速度達302.4km/h。這表明氫動力汽車的性能絲毫不遜於傳統能源汽車。寶馬公司已經完成了批量生產前的準備工作，並在德國的慕尼黑、柏林等大城市建設了氫氣加氣站，計劃從2005年開始，逐步將氫燃料內燃機動力的轎車推向市場。

我國在氫能源的製取和供應上已經進行了許多卓有成效的工作，為氫燃料內燃機的研發應用奠定了良好的基礎。

氫燃料與天然氣、汽油等相比，單位質量的能量密度高，可燃界限寬，燃燒速度快，是一種良好的車用燃料。氫作為內燃機燃料有下列特點：

(1)氫氣的單位質量低熱值高

約是汽油低熱值的2.7倍，但氫與空氣的理論混合氣標態熱值只有3.186MJ/m ，大約低於汽油18%。

(2)可燃混合氣濃度範圍很大

氫內燃機易於實現稀薄燃燒，提高經濟性，同時可以降低最高燃燒溫度，大幅度地減少NO的排放量。

(3)自燃溫度較高

氫的自燃溫度較天然氣和汽油都要高，利於提高壓縮比，提高氫燃料內燃機的熱效率。這一特性也決定了氫燃料內燃機難以像柴油機那樣採用壓燃點火，而適宜於火花塞點火。

(4)點火能量報低

儘管氫燃料的自燃點比天然氣、汽油等燃料都要高，但它所需要的點火能量卻很低，最小可以低到0.020mJ。因此，氫燃料內燃機工作時幾乎從不失火，並具有良好的啟動性。

(5)燃燒速度快

氫的燃燒反應拉鏈式反應機理進行，火焰傳播速度快(2.91m/s)，是汽油的7.72倍，在發動機中燃燒時抗爆性比汽油好，可以採用較高的壓縮比，因此熱效率比燃燒純汽油時高。

(6)氫氣在空氣中的擴散係數很大

氫氣的擴散係數是汽油的12倍，因此氫氣比汽油更容易和空氣混合形成均勻的混合氣。但是，高的擴散係數對防止泄露不利。由於氫氣的分子極小，滲透性很強。由此引起的金屑表面脆性和存儲時的緩慢滲漏也是氫燃料應用中的一個十分棘手的問題。

(7)氫氣密度很低

常溫常壓下，氫氣的密度只有天然氣的1/8。對於車用燃料來講，當車輛的續駛里程一定時，氫氣所需的儲氣罐就要比其它燃料的大得多。

(8)有害排放物少

氫氣燃燒的主要產物是水，不產生CO及HC，但產生一定量的NO在稀燃狀態下，NO的徘放量可大大降低。同時氫氣火焰的淬冷距離比汽油小，因此靠近缸壁激冷層的可燃混合氣燃燒得更完全。

氫燃料內燃機基於傳統的內燃機技術和生產、維修體系，具有良好的生產、使用基礎，技術上也具有一定的成熟性，與氫燃料電池相比，氫燃料內燃機在造價上具有明顯的優勢。在車用燃料電池的成本能夠與之相匹敵之前，包燃料內燃機將具有很強的競爭力。

在汽油機中摻撓氫氣燃料、在天然氣內燃機中鎔燒氫氣和採用氫氣—汽油兩用燃料或柔性燃料。內燃機是近期在汽車內燃機中推廣使用氫氣燃料的較現實方法。

從長遠來看，由於氫燃料內燃機具有高效、環保的突出優點，勢必將得到較快的發展，而缸內室噴式氫燃料內燃機所具有的較高的功率密度、良好的運轉乎穩性以及極低的NO排放，必將成為氫燃料內燃機的主要發展方向。

氫燃料的貯存技術是氫氣汽車推廣應用的關鍵技術之一。目前，氫燃料的貯存方式大致可以歸納為兩大類，即物理方式和化學方式。

(1)氣態儲氫

氣態儲氫是以高達20~25MPa的壓力將氫氣壓縮儲存在金屬容器中。這種儲存方法佔用的體積較大，不很實用。即使貯存壓力達到40MPa，1kg氫的體積也要佔30L。而具有同等能量的2.88kg汽油的體積僅佔4.1L。另外，氣態儲氫的安全性較差，容器必須具有足夠的強度及良好的密封性，並要注意氫對材料的侵蝕作用及導致其脆裂的可能。

(2)液態儲氫

液態儲氫是將高純度的氫經過深冷裝置液化，儲存在液氫罐中。液化過程所消耗的能約為氫熱值的30%，因此成本很高。由於液氫的沸點很低，為20.4K(—252.6 C)，必須存放在具有良好絕緣性能的雙層真空結構的金屬容器中，容器的材料要防止冷脆，一般用不鏽鋼或鋁製造。每千克包的熱值大約是同等質量的汽油熱值的3倍，但液氫的密度只是汽油的1/10，所以與10L汽油能量相當的液氫體積約為30L，濃包油箱的外形尺寸是汽油箱的4~5倍。

化學方法儲氫主要是採用金屬氫化物(MH)為氫貯藏源。

首先將氫加壓供給MH貯氣溺，同時對貯氣堪進行冷卻、散熱，促進氫的吸收和貯藏。當使用氫燃料時，可在低於吸入壓力或高於吸人溫度的情況下，使金屬氫化物(MH)釋放氫氣，通過供氣裝置供給發動機，釋放氫氣的過程中金屬氫化物(MH)需要吸收熱量。

金屬氫化物不會自燃，較為安全。有的汽車上同時採用低溫型及高溫型的金屬氫化物，目的在於充分利用它們各自的優點。