简介

在法国小说《神秋·岛》中有句话：“我相信，总有一天氢气和氧气会造成产生光和热的无尽源泉”。氧气助燃，氢气可以燃烧。地球上的物质66%是由氢组成的。最方便的是用水制氢，氢气燃烧作功或发电作功之后又还原成水，如此循环不止，取之不尽，用之不竭。因此，氢气也是人们可方便利用的一种新能源。

燃烧分为预混合燃烧和扩散燃烧两种方式，扩散燃烧是燃烧和空气边混合边燃烧，反应过程取决于混合速度和燃烧速度；预混合燃烧是燃料和空气混合好以后才进入燃烧反应区，反应过程则只取决于燃烧速度。对于氢而言，其燃烧生成的污染物仅有热力型NOx，影响其生成的主要因素是燃烧区温度和氧浓度及燃烧停留时间。采用扩散燃烧将不可避免的出现局部高温区和局部氧过浓区，这对抑制热力型NOx的生成是极为不利的，而预混合燃烧则不同，在氢气和空气进入燃烧区之前已经混合好，故在燃烧区不会因化学当量比燃烧出现局部高温区，也不会产生局部的氧气过浓区，燃烧区内反应物浓度和温度的空间分布相对较均一，便于有效组织控制热力型NOx的生成。

氢燃烧特点

氢的发热值虽然比核燃料低，但却是所有的化石燃料，化工燃料和生物燃料中最高的，约1.4x105kJ/kg，是汽油发热值的3倍：氢的燃烧性好，点燃快，与空气混合时具有广泛的可燃范围，并且燃点高

，燃烧速度快；燃烧后的产物是水，基本没有污染环境的问题，而且生成物是水，可以循环利用。氢属于洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，故需研制相应的燃烧装置。此外如采用催化剂，还可以在无火焰状态下发出一般要求的任意温度。还可以考虑与其它燃料混合的方案。

氢燃烧也可以获取能量，但是存在着诸多缺陷，如能量品位低及由于较高的燃烧温度所产生的氮氧化物NOx污染等，传统的内燃机燃用氢气就具有很高的NOx排放．目前有一些可应用的方法来降低NOx的排放，如催化燃烧及低NOx燃烧器。还有一种方法是化学链无焰燃烧，很有发展前景。它包括两个反应：金属氧化物与氢气的还原反应和金属与加压空气的氧化反应。因为属于无焰燃烧，所以反应过程中不会有氮氧化物NOx生成。以往热动力装置所使用的能源一般为汽油、重油等化石碳化氢燃料，均属于有限资源，最近人们开始重视了以氢作内燃机燃料。系统图如图1.1所示。氢燃烧是氢能利用的一种有效方式，但是从环保角度而言，还有很多问题有待解决。化学链无焰燃烧显示出一定前景，但是系统装置设计仍有待完善。

氢气燃烧具有着火范围宽，火焰传播速度快和点火能量低等特性，故其燃烧效率比其他燃料要高。燃烧氢气的器具是氢燃烧的关键设备。氢气还是一种理想的洁净燃料，其优点在于燃烧后没有及烟尘等污染物生成。它可以代替生成上述污染物的化石燃料，在工业和人民生活中可以获得广泛应用。但是利用氢燃烧存在两个问题：如果采用通常的扩散火焰燃烧，则高温下与反应，燃烧产物中含有大量对人体有害的污染物；如果采用预混合火焰燃烧，产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烧器烧坏，而不能保证安全燃烧。日前有两种方法可以解决这一对矛盾：一种是改进空气吸入型燃烧器的结构，使空气由火焰内部和火焰外部两路供入，使得NOx生成量降低；这种燃烧器使用于高温(>12000C)和供热强度大的装置，但是在操作时需要很好的控制燃烧条件以免回火。另一种是采用催化燃烧器，使氢气与空气通过固体催化剂层进行催化无焰燃烧；此类燃烧安全，生成量少，使用于温度低(<500oc)，热强度小的燃烧装置；应用性能优良的催化剂可以在室温下将氢和空气点燃，也可以用廉价的催化剂，既可以防止回火又可以获得良好的燃烧效率。

氢燃烧技术

（1）浓淡燃烧技术

浓淡燃烧技术是在富氧燃烧和贫氧燃烧的结合，因为富氧燃烧和贫氧燃烧都极大地能够降低NOx的产生，在一个燃烧器内形成过浓和燃料稀薄燃烧，避开了极易生成NOx的理论混合比，而氢燃烧所产生的NOx主要是热力型NOx，故采用氢的浓淡燃烧技术可以大幅度地降低NOx的排放。组织煤粉浓淡燃烧过浓侧的当量比为1:4的时候，燃烧条件将有利于产生快速型NOx，但是对于氢燃料而言，却不具有这种问题，因为氢气燃烧过程中不存在促使快速型NOx生成的CHI基团。影响氢的浓淡燃烧NOx排放的主要因素：淡氢气侧空气的过量系数；整体空气当量比和供应热量的大小等。

（2）氢与纯氧的燃烧

氢燃烧生成的污染物主要就是NOx，如果能够在氢燃烧的过程中降低氮的浓度，这对于控制NOx的排放无疑是十分有效的。降低氮浓度的方法在空气燃烧时是不可能的，但是在使用富氧空气或纯氧作为氧化剂燃烧时可以形成低氮燃烧。

纯氧燃烧不仅在理论上可以使得热力型NOx的生成降为零，而且，由于燃烧气体中不含有与热辐射有关的氮气，因而具有能强化火焰的辐射传热以及提高传热效率的优点，彻底消除NOx的生成，从而实现氢燃烧的零排放。不过该技术在实际应用还存在一些问题，如制纯氧的高能耗，燃烧器对高温火焰的耐受性以及当燃烧器里混入被视为杂质的微量氮气或空气就会产生高浓度的NOx等急待解决的问题。此外，纯氧燃烧技术中的许多机理问题还需要人们做深入的探讨。

（3）氢的化学链燃烧技术

化学链燃烧技术(Chemical-loopingCombustion，CLC)在20世纪80年代就被提出来

作为常规燃烧的替代。化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料和空气不直接接触的无火焰化学反应，打破了自古以来的火焰燃烧概念。这种新的能量释放方法是新一代的能源动力系统，它开拓了根除NOx产生的新途径。氢的化学链燃烧技术原理：一是氢与金属氧化物的反应。

金属氧化物(MO)与金属(M)在两个反应之间循环使用，一方面分离空气中的氧，另一方面传递氧。通过该反应机理氢所放出的热量与氢，氧直接燃烧所放出的热量等同。但是，却克服了氢/氧直接燃烧时制纯氧所消耗的能量和燃烧后水蒸气带走大量能量的致命缺陷。氢的化学链燃烧技术具有其它燃烧技术不可比拟的优越性，不仅氢能的利用效率高，考虑到环境因素，还能够完全消除NOx的生成，因为金属与氧气的氧化反应是无火焰化学反应，这完全区别于传统的燃烧方式。

（4）氢的选择催化燃烧技术

氢的选择催化燃烧技术，是在一定的温度和压力下，通过调控催化剂孔隙的大小，对经过的碳氢类燃料进行氢的选择性燃烧。研究表明，催化剂的还原能力愈强，氢燃烧的催化活性也就愈高。

（5）氢的催化燃烧技术

燃烧催化剂按活性组分可以分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂。贵金属催化剂虽然活性较高，但是价格及其昂贵，高温下易流失。使得其应用受到限制，相对来说，非贵金属催化剂更具有应用潜力。廉价易得的Y-AI2O3是最为常见的催化剂载体，具有很高的比表面积。铂、钯、钴、锰等均可以实现低温燃烧并且具有较好的活性、耐热性、寿命和经济性。催化剂脱除NOx是由扩散控制的化学反应，N0x在催化剂截面的均匀分布利于反应的进行，另外，为了防止较大的NOx负荷及增大停留时间充分吸附，气体流速不宜过高。

汽车中的氢燃烧

使氢气转变为汽车动能有两种主要途径：

(1)氢气作为车用内燃机燃料燃烧作功；

(2)氢气应用于燃料电池。

但燃料电池系统在能量密度、体积、质量、反应速度及成本等方面的问题还未很好解决，相关技术距实用还有相当一段距离。而用氢气作为内燃机燃料，既可以实现氢能源清洁、可再生的特点，又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础，且氢气发动机热效率较高，综合效率与燃料电池效率相当，生产及使用成本低，在使用性能、成本等方面较容易被广大用户所接受。

因此，以氢气作为内燃机燃料已经被车辆行业公认为是近阶段氢能用于汽车的显现实、最经济的途径。

发展历程

以氢为燃料的汽车开发研究经历了一个曲折的过程。

早在1920年就有人将氢作为燃料在发动机中试验，但进展不大。

20世纪70年代的石油危机给各国敲响了警钟，对氢的研究开始受到人们的关注。此后，石油供应又趋于稳定，氢气汽车的研究又停滞下来。

进入20世纪90年代，由于大气中CO2：的增加，地球的温室效应日益严重。而氢气燃烧不产生CO2，，所以氢气发动机的研究开发再次引起人们的重视。目前，美、德、日等发达国家对其研究方兴末艾。

美国福特公司开发的U型概念车既可以用汽油，也可以用氢气作燃料。招待公司宣称，氢气能够将内燃机效率提高25%。30%，而这一效率已和氢燃料电池大致一样。在氢燃料内燃机工作过程中，包括CO2：在内的污染物排放几乎可以忽略不计。

奔驰公司自20世纪70年代就开始了这一领域的预研工作，1978年开发了第一辆氢燃料祥车，采用氢与空气均匀混合后从发动机进气管吸人气缸的供给方式。近几年奔驰公司又将包燃科项目列入进一步的研究题“HYPASS”，开展氢气缸内喷射的氢燃料样车试验。

宝马公司从1978年开始开发以氢气为燃料的内燃机汽车。由柴油机/汽油机的改造到现在已经研发了6代氢燃料内燃机驱动的轿车。宝马公司在BMw735i轿车上进行研究试验，配备采用氢气为燃料的3.5L6缸火花点火式发动机。

氢气采用液态贮存方式，每次加注燃料可供汽车行驶299km：该车保留了原来的汽油喷射系统，可以选择汽油或氢气燃料工作。氢气采用多点喷射方式，可防止回火，且进一步提高了效率。2004年9月，宝马集团在法国Miramas用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度纪录。该车装备6Lv12氢燃料内燃机，最大功率为210kw，0~100km/h加速约6s，最高速度达302.4km/h。这表明氢动力汽车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。宝马公司已经完成了批量生产前的准备工作，并在德国的慕尼黑、柏林等大城市建设了氢气加气站，计划从2005年开始，逐步将氢燃料内燃机动力的轿车推向市场。

我国在氢能源的制取和供应上已经进行了许多卓有成效的工作，为氢燃料内燃机的研发应用奠定了良好的基础。

特点

氢燃料与天然气、汽油等相比，单位质量的能量密度高，可燃界限宽，燃烧速度快，是一种良好的车用燃料。氢作为内燃机燃料有下列特点：

(1)氢气的单位质量低热值高

约是汽油低热值的2.7倍，但氢与空气的理论混合气标态热值只有3.186MJ/m3，大约低于汽油18%。

(2)可燃混合气浓度范围很大

氢内燃机易于实现稀薄燃烧，提高经济性，同时可以降低最高燃烧温度，大幅度地减少NOx的排放量。

(3)自燃温度较高

氢的自燃温度较天然气和汽油都要高，利于提高压缩比，提高氢燃料内燃机的热效率。这一特性也决定了氢燃料内燃机难以像柴油机那样采用压燃点火，而适宜于火花塞点火[4]。

(4)点火能量报低

尽管氢燃料的自燃点比天然气、汽油等燃料都要高，但它所需要的点火能量却很低，最小可以低到0.020mJ。因此，氢燃料内燃机工作时几乎从不失火，并具有良好的启动性。

(5)燃烧速度快

氢的燃烧反应拉链式反应机理进行，火焰传播速度快(2.91m/s)，是汽油的7.72倍，在发动机中燃烧时抗爆性比汽油好，可以采用较高的压缩比，因此热效率比燃烧纯汽油时高[4]。

(6)氢气在空气中的扩散系数很大

氢气的扩散系数是汽油的12倍，因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气。但是，高的扩散系数对防止泄露不利。由于氢气的分子极小，渗透性很强。由此引起的金屑表面脆性和存储时的缓慢渗漏也是氢燃料应用中的一个十分棘手的问题。

(7)氢气密度很低

常温常压下，氢气的密度只有天然气的1/8。对于车用燃料来讲，当车辆的续驶里程一定时，氢气所需的储气罐就要比其它燃料的大得多。

(8)有害排放物少

氢气燃烧的主要产物是水，不产生CO及HC，但产生一定量的NOx在稀燃状态下，NOx的徘放量可大大降低。同时氢气火焰的淬冷距离比汽油小，因此靠近缸壁激冷层的可燃混合气燃烧得更完全[4]。

前景展望

氢燃料内燃机基于传统的内燃机技术和生产、维修体系，具有良好的生产、使用基础，技术上也具有一定的成熟性，与氢燃料电池相比，氢燃料内燃机在造价上具有明显的优势。在车用燃料电池的成本能够与之相匹敌之前，包燃料内燃机将具有很强的竞争力[4]。

在汽油机中掺挠氢气燃料、在天然气内燃机中镕烧氢气和采用氢气—汽油两用燃料或柔性燃料。内燃机是近期在汽车内燃机中推广使用氢气燃料的较现实方法。

从长远来看，由于氢燃料内燃机具有高效、环保的突出优点，势必将得到较快的发展，而缸内室喷式氢燃料内燃机所具有的较高的功率密度、良好的运转乎稳性以及极低的NOx排放，必将成为氢燃料内燃机的主要发展方向。

氢燃料的储存技术

氢燃料的贮存技术是氢气汽车推广应用的关键技术之一。目前，氢燃料的贮存方式大致可以归纳为两大类，即物理方式和化学方式。

物理方法储氢 

(1)气态储氢

气态储氢是以高达20~25MPa的压力将氢气压缩储存在金属容器中。这种储存方法占用的体积较大，不很实用。即使贮存压力达到40MPa，1kg氢的体积也要占30L。而具有同等能量的2.88kg汽油的体积仅占4.1L。另外，气态储氢的安全性较差，容器必须具有足够的强度及良好的密封性，并要注意氢对材料的侵蚀作用及导致其脆裂的可能[4]。

(2)液态储氢

液态储氢是将高纯度的氢经过深冷装置液化，储存在液氢罐中。液化过程所消耗的能约为氢热值的30%，因此成本很高。由于液氢的沸点很低，为20.4K(—252.6。C)，必须存放在具有良好绝缘性能的双层真空结构的金属容器中，容器的材料要防止冷脆，一般用不锈钢或铝制造。每千克包的热值大约是同等质量的汽油热值的3倍，但液氢的密度只是汽油的1/10，所以与10L汽油能量相当的液氢体积约为30L，浓包油箱的外形尺寸是汽油箱的4~5倍。

化学方法储氢

化学方法储氢主要是采用金属氢化物(MH)为氢贮藏源。

首先将氢加压供给MH贮气溺，同时对贮气堪进行冷却、散热，促进氢的吸收和贮藏。当使用氢燃料时，可在低于吸入压力或高于吸人温度的情况下，使金属氢化物(MH)释放氢气，通过供气装置供给发动机，释放氢气的过程中金属氢化物(MH)需要吸收热量。

金属氢化物不会自燃，较为安全。有的汽车上同时采用低温型及高温型的金属氢化物，目的在于充分利用它们各自的优点。