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)不會因化學(xué)當(dāng)量比燃燒出現(xiàn)局部高溫區(qū)，也不會產(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。化學(xué)鏈無焰燃燒顯示出一定前景，但是系統(tǒng)裝置設(shè)計仍有待完善。

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的時候，燃燒條件將有利于產(chǎn)生快速型NOx，但是對于氫燃料而言，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，由于燃燒氣體中不含有與熱輻射有關(guān)的氮?dú)猓蚨哂心軓?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a(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?；瘜W(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，但是價格及其昂貴，高溫下易流失。使得其應(yīng)用受到限制，相對來說，非貴金屬催化劑更具有應(yīng)用潛力。廉價易得的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噭幽苡袃煞N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)歷了一個曲折的過程。

早在1920年就有人將氫作為燃料在發(fā)動機(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。

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，計劃從2005年開始，逐步將氫燃料內(nèi)燃機(jī)動力的轎車推向市場。

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)工作時幾乎從不失火，并具有良好的啟動性。

(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)動機(jī)中燃燒時抗爆性比汽油好，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時的緩慢滲漏也是氫燃料應(yīng)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。對于車用燃料來講，當(dāng)車輛的續(xù)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(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。

物理方法儲氫 

(1)氣態(tài)儲氫

氣態(tài)儲氫是以高達(dá)20~25MPa的壓力將氫氣壓縮儲存在金屬容器中。這種儲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，并要注意氫對材料的侵蝕作用及導(dǎo)致其脆裂的可能[4]。

(2)液態(tài)儲氫

液態(tài)儲氫是將高純度的氫經(jīng)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)方法儲氫

化學(xué)方法儲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，同時對貯氣堪進(jìn)行冷卻、散熱，促進(jìn)氫的吸收和貯藏。當(dāng)使用氫燃料時，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。

金屬氫化物不會自燃，較為安全。有的汽車上同時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)。