簡介

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(huì)造成產(chǎn)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(zhì)66%是由氫組成的。最方便的是用水制氫，氫氣燃燒作功或發(fā)電作功之后又還原成水，如此循環(huán)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(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒兩種方式，擴(kuò)散燃燒是燃燒和空氣邊混合邊燃燒，反應(yīng)過程取決于混合速度和燃燒速度；預(yù)混合燃燒是燃料和空氣混合好以后才進(jìn)入燃燒反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)過程則只取決于燃燒速度。對(duì)于氫而言，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(qū)溫度和氧濃度及燃燒停留時(shí)間。采用擴(kuò)散燃燒將不可避免的出現(xiàn)局部高溫區(qū)和局部氧過濃區(qū)，這對(duì)抑制熱力型NOx的生成是極為不利的，而預(yù)混合燃燒則不同，在氫氣和空氣進(jìn)入燃燒區(qū)之前已經(jīng)混合好，故在燃燒區(qū)不會(huì)因化學(xué)當(dāng)量比燃燒出現(xiàn)局部高溫區(qū)，也不會(huì)產(chǎn)生局部的氧氣過濃區(qū)，燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)物濃度和溫度的空間分布相對(duì)較均一，便于有效組織控制熱力型NOx的生成。

氫燃燒特點(diǎn)

氫的發(fā)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1.4x105kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍：氫的燃燒性好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)具有廣泛的可燃范圍，并且燃點(diǎn)高

，燃燒速度快；燃燒后的產(chǎn)物是水，基本沒有污染環(huán)境的問題，而且生成物是水，可以循環(huán)利用。氫屬于潔凈的燃料，其燃燒性能很特殊，故需研制相應(yīng)的燃燒裝置。此外如采用催化劑，還可以在無火焰狀態(tài)下發(fā)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，如能量品位低及由于較高的燃燒溫度所產(chǎn)生的氮氧化物NOx污染等，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃用氫氣就具有很高的NOx排放．目前有一些可應(yīng)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(xué)鏈無焰燃燒，很有發(fā)展前景。它包括兩個(gè)反應(yīng)：金屬氧化物與氫氣的還原反應(yīng)和金屬與加壓空氣的氧化反應(yīng)。因?yàn)閷儆跓o焰燃燒，所以反應(yīng)過程中不會(huì)有氮氧化物NOx生成。以往熱動(dòng)力裝置所使用的能源一般為汽油、重油等化石碳化氫燃料，均屬于有限資源，最近人們開始重視了以氫作內(nèi)燃機(jī)燃料。系統(tǒng)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(huán)保角度而言，還有很多問題有待解決?；瘜W(xué)鏈無焰燃燒顯示出一定前景，但是系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)仍有待完善。

氫氣燃燒具有著火范圍寬，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌忘c(diǎn)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(guān)鍵設(shè)備。氫氣還是一種理想的潔凈燃料，其優(yōu)點(diǎn)在于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(yè)和人民生活中可以獲得廣泛應(yīng)用。但是利用氫燃燒存在兩個(gè)問題：如果采用通常的擴(kuò)散火焰燃燒，則高溫下與反應(yīng)，燃燒產(chǎn)物中含有大量對(duì)人體有害的污染物；如果采用預(yù)混合火焰燃燒，產(chǎn)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(duì)矛盾：一種是改進(jìn)空氣吸入型燃燒器的結(jié)構(gòu)，使空氣由火焰內(nèi)部和火焰外部兩路供入，使得NOx生成量降低；這種燃燒器使用于高溫(>12000C)和供熱強(qiáng)度大的裝置，但是在操作時(shí)需要很好的控制燃燒條件以免回火。另一種是采用催化燃燒器，使氫氣與空氣通過固體催化劑層進(jìn)行催化無焰燃燒；此類燃燒安全，生成量少，使用于溫度低(<500oc)，熱強(qiáng)度小的燃燒裝置；應(yīng)用性能優(yōu)良的催化劑可以在室溫下將氫和空氣點(diǎn)燃，也可以用廉價(jià)的催化劑，既可以防止回火又可以獲得良好的燃燒效率。

氫燃燒技術(shù)

（1）濃淡燃燒技術(shù)

濃淡燃燒技術(shù)是在富氧燃燒和貧氧燃燒的結(jié)合，因?yàn)楦谎跞紵拓氀跞紵紭O大地能夠降低NOx的產(chǎn)生，在一個(gè)燃燒器內(nèi)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(chǎn)生的NOx主要是熱力型NOx，故采用氫的濃淡燃燒技術(shù)可以大幅度地降低NOx的排放。組織煤粉濃淡燃燒過濃側(cè)的當(dāng)量比為1:4的時(shí)候，燃燒條件將有利于產(chǎn)生快速型NOx，但是對(duì)于氫燃料而言，卻不具有這種問題，因?yàn)闅錃馊紵^程中不存在促使快速型NOx生成的CHI基團(tuán)。影響氫的濃淡燃燒NOx排放的主要因素：淡氫氣側(cè)空氣的過量系數(shù)；整體空氣當(dāng)量比和供應(yīng)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(duì)于控制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(shí)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(shí)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，由于燃燒氣體中不含有與熱輻射有關(guān)的氮?dú)?，因而具有能?qiáng)化火焰的輻射傳熱以及提高傳熱效率的優(yōu)點(diǎn)，徹底消除NOx的生成，從而實(shí)現(xiàn)氫燃燒的零排放。不過該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用還存在一些問題，如制純氧的高能耗，燃燒器對(duì)高溫火焰的耐受性以及當(dāng)燃燒器里混入被視為雜質(zhì)的微量氮?dú)饣蚩諝饩蜁?huì)產(chǎn)生高濃度的NOx等急待解決的問題。此外，純氧燃燒技術(shù)中的許多機(jī)理問題還需要人們做深入的探討。

（3）氫的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)

化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(Chemical-loopingCombustion，CLC)在20世紀(jì)80年代就被提出來

作為常規(guī)燃燒的替代。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的能量釋放機(jī)理是通過燃料和空氣不直接接觸的無火焰化學(xué)反應(yīng)，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(dòng)力系統(tǒng)，它開拓了根除NOx產(chǎn)生的新途徑。氫的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)原理：一是氫與金屬氧化物的反應(yīng)。

金屬氧化物(MO)與金屬(M)在兩個(gè)反應(yīng)之間循環(huán)使用，一方面分離空氣中的氧，另一方面?zhèn)鬟f氧。通過該反應(yīng)機(jī)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(shí)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(xué)鏈燃燒技術(shù)具有其它燃燒技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，不僅氫能的利用效率高，考慮到環(huán)境因素，還能夠完全消除NOx的生成，因?yàn)榻饘倥c氧氣的氧化反應(yīng)是無火焰化學(xué)反應(yīng)，這完全區(qū)別于傳統(tǒng)的燃燒方式。

（4）氫的選擇催化燃燒技術(shù)

氫的選擇催化燃燒技術(shù)，是在一定的溫度和壓力下，通過調(diào)控催化劑孔隙的大小，對(duì)經(jīng)過的碳?xì)漕惾剂线M(jìn)行氫的選擇性燃燒。研究表明，催化劑的還原能力愈強(qiáng)，氫燃燒的催化活性也就愈高。

（5）氫的催化燃燒技術(shù)

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(jià)格及其昂貴，高溫下易流失。使得其應(yīng)用受到限制，相對(duì)來說，非貴金屬催化劑更具有應(yīng)用潛力。廉價(jià)易得的Y-AI2O3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(shí)現(xiàn)低溫燃燒并且具有較好的活性、耐熱性、壽命和經(jīng)濟(jì)性。催化劑脫除NOx是由擴(kuò)散控制的化學(xué)反應(yīng)，N0x在催化劑截面的均勻分布利于反應(yīng)的進(jìn)行，另外，為了防止較大的NOx負(fù)荷及增大停留時(shí)間充分吸附，氣體流速不宜過高。

汽車中的氫燃燒

使氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)槠噭?dòng)能有兩種主要途徑：

(1)氫氣作為車用內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒作功；

(2)氫氣應(yīng)用于燃料電池。

但燃料電池系統(tǒng)在能量密度、體積、質(zhì)量、反應(yīng)速度及成本等方面的問題還未很好解決，相關(guān)技術(shù)距實(shí)用還有相當(dāng)一段距離。而用氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料，既可以實(shí)現(xiàn)氫能源清潔、可再生的特點(diǎn)，又可以利用目前已經(jīng)充分建立起來的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)，且氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高，綜合效率與燃料電池效率相當(dāng)，生產(chǎn)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(nèi)燃機(jī)燃料已經(jīng)被車輛行業(yè)公認(rèn)為是近階段氫能用于汽車的顯現(xiàn)實(shí)、最經(jīng)濟(jì)的途徑。

發(fā)展歷程

以氫為燃料的汽車開發(fā)研究經(jīng)歷了一個(gè)曲折的過程。

早在1920年就有人將氫作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中試驗(yàn)，但進(jìn)展不大。

20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)給各國敲響了警鐘，對(duì)氫的研究開始受到人們的關(guān)注。此后，石油供應(yīng)又趨于穩(wěn)定，氫氣汽車的研究又停滯下來。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于大氣中CO2：的增加，地球的溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重。而氫氣燃燒不產(chǎn)生CO2，，所以氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)再次引起人們的重視。目前，美、德、日等發(fā)達(dá)國家對(duì)其研究方興末艾。

美國福特公司開發(fā)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?qū)?nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)工作過程中，包括CO2：在內(nèi)的污染物排放幾乎可以忽略不計(jì)。

奔馳公司自20世紀(jì)70年代就開始了這一領(lǐng)域的預(yù)研工作，1978年開發(fā)了第一輛氫燃料祥車，采用氫與空氣均勻混合后從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管吸人氣缸的供給方式。近幾年奔馳公司又將包燃科項(xiàng)目列入進(jìn)一步的研究題“HYPASS”，開展氫氣缸內(nèi)噴射的氫燃料樣車試驗(yàn)。

寶馬公司從1978年開始開發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車。由柴油機(jī)/汽油機(jī)的改造到現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了6代氫燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的轎車。寶馬公司在BMw735i轎車上進(jìn)行研究試驗(yàn)，配備采用氫氣為燃料的3.5L6缸火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫氣采用液態(tài)貯存方式，每次加注燃料可供汽車行駛299km：該車保留了原來的汽油噴射系統(tǒng)，可以選擇汽油或氫氣燃料工作。氫氣采用多點(diǎn)噴射方式，可防止回火，且進(jìn)一步提高了效率。2004年9月，寶馬集團(tuán)在法國Miramas用一部名為H2R的氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車創(chuàng)造了9項(xiàng)速度紀(jì)錄。該車裝備6Lv12氫燃料內(nèi)燃機(jī)，最大功率為210kw，0~100km/h加速約6s，最高速度達(dá)302.4km/h。這表明氫動(dòng)力汽車的性能絲毫不遜于傳統(tǒng)能源汽車。寶馬公司已經(jīng)完成了批量生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，并在德國的慕尼黑、柏林等大城市建設(shè)了氫氣加氣站，計(jì)劃從2005年開始，逐步將氫燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的轎車推向市場。

我國在氫能源的制取和供應(yīng)上已經(jīng)進(jìn)行了許多卓有成效的工作，為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

特點(diǎn)

氫燃料與天然氣、汽油等相比，單位質(zhì)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(nèi)燃機(jī)燃料有下列特點(diǎn)：

(1)氫氣的單位質(zhì)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(biāo)態(tài)熱值只有3.186MJ/m3，大約低于汽油18%。

(2)可燃混合氣濃度范圍很大

氫內(nèi)燃機(jī)易于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以降低最高燃燒溫度，大幅度地減少NOx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，利于提高壓縮比，提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的熱效率。這一特性也決定了氫燃料內(nèi)燃機(jī)難以像柴油機(jī)那樣采用壓燃點(diǎn)火，而適宜于火花塞點(diǎn)火[4]。

(4)點(diǎn)火能量報(bào)低

盡管氫燃料的自燃點(diǎn)比天然氣、汽油等燃料都要高，但它所需要的點(diǎn)火能量卻很低，最小可以低到0.020mJ。因此，氫燃料內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)幾乎從不失火，并具有良好的啟動(dòng)性。

(5)燃燒速度快

氫的燃燒反應(yīng)拉鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?2.91m/s)，是汽油的7.72倍，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)抗爆性比汽油好，可以采用較高的壓縮比，因此熱效率比燃燒純汽油時(shí)高[4]。

(6)氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)很大

氫氣的擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)對(duì)防止泄露不利。由于氫氣的分子極小，滲透性很強(qiáng)。由此引起的金屑表面脆性和存儲(chǔ)時(shí)的緩慢滲漏也是氫燃料應(yīng)用中的一個(gè)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(duì)于車用燃料來講，當(dāng)車輛的續(xù)駛里程一定時(shí)，氫氣所需的儲(chǔ)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(chǎn)物是水，不產(chǎn)生CO及HC，但產(chǎn)生一定量的NOx在稀燃狀態(tài)下，NOx的徘放量可大大降低。同時(shí)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[4]。

前景展望

氫燃料內(nèi)燃機(jī)基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)、維修體系，具有良好的生產(chǎn)、使用基礎(chǔ)，技術(shù)上也具有一定的成熟性，與氫燃料電池相比，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在造價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢。在車用燃料電池的成本能夠與之相匹敵之前，包燃料內(nèi)燃機(jī)將具有很強(qiáng)的競爭力[4]。

在汽油機(jī)中摻撓氫氣燃料、在天然氣內(nèi)燃機(jī)中镕燒氫氣和采用氫氣—汽油兩用燃料或柔性燃料。內(nèi)燃機(jī)是近期在汽車內(nèi)燃機(jī)中推廣使用氫氣燃料的較現(xiàn)實(shí)方法。

從長遠(yuǎn)來看，由于氫燃料內(nèi)燃機(jī)具有高效、環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)，勢必將得到較快的發(fā)展，而缸內(nèi)室噴式氫燃料內(nèi)燃機(jī)所具有的較高的功率密度、良好的運(yùn)轉(zhuǎn)乎穩(wěn)性以及極低的NOx排放，必將成為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的主要發(fā)展方向。

氫燃料的儲(chǔ)存技術(shù)

氫燃料的貯存技術(shù)是氫氣汽車推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)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(xué)方式。

物理方法儲(chǔ)氫 

(1)氣態(tài)儲(chǔ)氫

氣態(tài)儲(chǔ)氫是以高達(dá)20~25MPa的壓力將氫氣壓縮儲(chǔ)存在金屬容器中。這種儲(chǔ)存方法占用的體積較大，不很實(shí)用。即使貯存壓力達(dá)到40MPa，1kg氫的體積也要占30L。而具有同等能量的2.88kg汽油的體積僅占4.1L。另外，氣態(tài)儲(chǔ)氫的安全性較差，容器必須具有足夠的強(qiáng)度及良好的密封性，并要注意氫對(duì)材料的侵蝕作用及導(dǎo)致其脆裂的可能[4]。

(2)液態(tài)儲(chǔ)氫

液態(tài)儲(chǔ)氫是將高純度的氫經(jīng)過深冷裝置液化，儲(chǔ)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。由于液氫的沸點(diǎn)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(jié)構(gòu)的金屬容器中，容器的材料要防止冷脆，一般用不銹鋼或鋁制造。每千克包的熱值大約是同等質(zhì)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(dāng)?shù)囊簹潴w積約為30L，濃包油箱的外形尺寸是汽油箱的4~5倍。

化學(xué)方法儲(chǔ)氫

化學(xué)方法儲(chǔ)氫主要是采用金屬氫化物(MH)為氫貯藏源。

首先將氫加壓供給MH貯氣溺，同時(shí)對(duì)貯氣堪進(jìn)行冷卻、散熱，促進(jìn)氫的吸收和貯藏。當(dāng)使用氫燃料時(shí)，可在低于吸入壓力或高于吸人溫度的情況下，使金屬氫化物(MH)釋放氫氣，通過供氣裝置供給發(fā)動(dòng)機(jī)，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(huì)自燃，較為安全。有的汽車上同時(shí)采用低溫型及高溫型的金屬氫化物，目的在于充分利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)。