氢能汽车和飞机

《太阳能》1990年第2期，第 24 页。署名单位：北京手表二厂。

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正文

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当今世界一次能源消耗以矿物燃料为主，它占能源消耗总量的 87%。到本世纪末，全世界石油需求量将增加 8%，煤需求量将增加 40%。燃烧矿物燃料每年排入大气中的二氧化碳多达 50 亿吨，并以每年 0.4% 的速度递增。二氧化碳的猛增，将导致「温室效应」的加剧。燃烧矿物燃料还向大气排入大量一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等，增加环境恶化。为防止地球气候异常和大气污染，人类应控制矿物燃料的开采和使用，提高能源利用率〔?〕，大力开发和利用核能、太阳能、风能、潮汐能等新能源和可再生能源。本文介绍的氢能，是一种理想而重要的未来能源。

应用氢能有何优点呢？

1．氢在氧气中燃烧只生成水。以氢为基础的能源经济，将以一个完全可逆的、无污染的燃料循环为中心。这种循环是和大自然的生物圈循环相重叠的，水蒸汽是这种循环的唯一「废品」。因此，可以说氢是一种最干净的燃料。

2．氢燃烧热值高，大约是航空煤油的 3 倍，居当今燃料之首，因而氢可称之为当今高能燃料。

3．氢是宇宙中含量最丰富的元素之一。以氢原子取代碳原子，将为人类提供一种丰富的、取之不尽的新能源。

4．氢可以贮存。它可制成金属氢化物，或加压贮存在压力容器中，还可使氢液化于冷冻容器里。

5．用甲烷、甲醇、丙烷、氨和肼等，氢还可以远距离输送，直接作发电厂的燃料，代替煤和油；在熔铁炉中取代焦碳炼出高纯铁；也可以作为建筑物和家庭取暖、加热用的燃料。

由于上述众多优点，国外有些学者曾预言，再过五十年，地球上的矿物燃料资源将面临枯竭，作为一种有很大用途的未来能源——氢能的应用时代就会到来。

氢和汽油燃烧特性的比较

氢的燃烧热为 33.60 千瓦时/千克；普通汽油因成分可变，燃烧热为 11—14 千瓦时/千克。纯异辛烷燃烧热为 12.78 千瓦时/千克，被规定为标准汽油。氢和标准汽油燃烧产物理论计算平衡如图 1、图 2 所示。

图 1（氢燃烧产物平衡图）与图 2（汽油燃烧产物平衡图）是两张曲线图，
录文里没法照搬，请看本页上方的原文 PDF。

由图 1 可见，氢在空气中燃烧时，会产生 NO、NO₂ 和 NH₃ 三种化合物，和少量未燃烧的残留氢。应当指出，氢在纯氧中燃烧时，只生成水；但是，它和空气混合在高温燃烧时，含有空气中的氮，也会生成少量氮氧化物。从图 1 也可看到，如果氢燃料富集燃烧时，产生的氮氧化物极少。

而标准汽油在空气中燃烧时，产物曲线有八条，其中 CO 占最高。在燃料贫乏区，氮氧化物含量较高；在燃料富集区，虽然氮氧化物大大减少，但 CO、有机物等含量却不可避免地被测升高。

由此可见，氢燃料比汽油优越得多。

氢能汽车

早在 1948 年前后，美国曾有人用氢燃料在一台汽化器发动机上进行试验，当氢与空气混合比高达 10∶1 时〔?〕，发动机运转正常。这恐怕是人类应用氢能用于汽车发动机的初次尝试。

1976—1978 年间，美国比林司能源研究公司、登威尔研究所，在和德国奔驰汽车厂研制金属氢化物贮氢系统，先后装备了数辆氢能汽车。应用重 500 千克的氢化钛铁贮存氢，足够使汽车行驶 100—200 公里。

1979 年，登威尔研究所在一辆小货车上配置了一台发动机和增压器，用普通高压钢瓶贮氢作燃料。

用氢作汽车燃料会产生爆震和逆火，尤其在氢和空气混合比率接近化学计量时。试验表明，如果在氢燃料贫乏状态下和空气混合后燃烧，或向发动机注入排出的废气，可以防止爆震和逆火。用喷射水稀释的办法也可抑制爆震和逆火，但发动机功率减少 40—50%。迈阿密大学能源系在实验室的研究结果证明，当发动机进气阀关闭时，马上用低压喷射器把氢直接注入气缸内，就不会有爆震和逆火发生，功率还有所增加。

用氢作燃料，还要解决燃料箱的技术问题。燃料箱需要一个合理的体积、重量，适当的安全措施和少于 10 分钟的补充燃料时间。一辆标准汽车有一个容纳 80 升（55.3 千克）汽油的燃料箱。根据计算，与此能量容量相当的氢需要 21 千克。用这个量就可对氢燃料箱体系的重量和体积进行估算。

用氢作汽车燃料有三种方式：金属氢化物，高压氢气和液氢。

作为氢载体的金属氢化物，可在常温、常压下，在简单的箱体中贮存。如果考虑到从金属氢化物提取或释放出氢的条件和相关的安全、重量和体积等诸因素，应用上有一定难度。

金属氢化物可分为简单金属氢化物（如 LiH、TiH₂ 等）、复杂金属氢化物（如 LiBH₄、LiAlH₄ 等）和吸附金属氢化物（如 FeH、TiNiH 等）。重金属氢化物含氢量少，成本也高。轻金属或简单金属氢化物含氢量相对较多，成本也低些。

高压氢气贮氢的应用，按氢燃料装载标准量 21 千克的理想气体计算，当体积为 300 升时，气压要求高达 800 大气压以上。能经受如此高压的容器，钢材强度为 10⁸ 千克/米²，罐壁厚 7 厘米，总重量达 1550 千克。超重的燃料容器使汽车难于承受。用一些轻型合金钢和含玻璃、硼和碳纤维复合材料制成的压力容器能承受更大压力，重量也轻，又安全可靠，作为未来汽车氢燃料的容器大有希望。

与上述贮氢方法相比，冷冻液氢贮存优点最多，它的单位贮能费用最低，重量最小，供能简单，补充燃料时间短，贮氢容器费用不太高，没有难克服的安全问题。其缺点是：车箱不用时就有热漏损失，燃料供应比较复杂〔?〕，存在与冷冻液体相关的安全工程问题。

液氢燃料箱与通用汽油箱的配置如图 3 所示。

液氢箱的结构类似于小型液氢贮存器，采用双层真空夹套。用压力加热器引出的氢，经排出的废气在换热器中预热成常温氢气，在空气—氢体积流混合器中混合后注入发动机。液氢工作原理如图 4 所示。

在美国，商业用氢是由管道大量连续输送的。每个汽车加氢站都有小型液化机和贮罐。地方性的液氢厂有大容量的液化设备和大型液氢贮槽，配备有卡车真空夹套，运送到区域性供应站。八十年代初，美国消耗液氢总量为 10¹² 升/年。液氢燃料供应站简图如图 5 所示。

图 3（液氢箱的配置）、图 4（液氢燃料工作简图）、图 5（液氢燃料供应站工作简图）
是三张装置简图，同样请看原文 PDF。

汽油和液氢汽车燃料的性能比较列于表 1。

以重量为标准，氢比汽油优越得多〔?〕，但氢密度小，同样重量的液氢占有大的体积。综合两种因素，液氢燃料箱的体积比标准汽油箱的大三倍。采用适当设计，完全可制造出与传统汽车相媲美的氢能汽车。

氢能飞机

飞机是现代最省时间的交通工具。航空事业的发展面临着对燃料的选择。氢作为飞机喷气发动机推进剂的推进效率比航空汽油高得多。同重量的飞机，用氢作推进剂比汽油飞行的距离增加 1.5—2.5 倍。

家属注：扫描件只到第 25 页为止，正文也就录到这里 ——「氢能飞机」这一节
显然还有下文，文中提到的表 1 也在后面的页上。请把第 26 页以后补扫，再接上。