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氢发动机汽车在大马力运行时比较便宜

从20世纪70年代起，开始研究氢发动机汽车的山根副教授指出，对目前的汽油或柴油发动机进行改造，使用氢气作为燃料以后，可以研制出几种采用氢气作为燃料的新型氢气燃料汽车。“运输部门对于车辆性能的要求主要有3点，即功率大、自重轻、结构紧凑。现在的发动机已经完全满足了这样的要求，为什么不继续使用呢？”

国际上，一些汽车企业正在研发几种氢发动机汽车。包括日本的马自达公司、德国的宝马（BMW）公司等等。这些氢发动机汽车的价格大约是普通汽油车价格的1.5倍。而现在的燃料电池车，由于采用了昂贵的铂材料燃料电池，价格是普通汽油车的数倍。

使用液态氢，虽然能够储存大量的氢，但也存在一些难以解决的问题。比如，为了使发动机有更大的输出功率，需要通过高压把氢气送入发动机内。为此，在山根副教授研制的氢发动机汽车中，采用了一种特殊的高压气泵，它能够以100个大气压，让超低温的液态氢仍然以液体状态进入发动机。

如果没有-253℃的超低温环境，储气罐中的液态氢，就会随着温度的升高迅速被气化，致使罐内的压力过高，直到破裂损坏。因此，为了保持氢的液体状态，就必须给液态氢的储存罐配备超低温的冷却装置，而且这种冷却装置的价格最好不要过于昂贵。实验表明，保持超低温冷却状态所消耗的电力还比较经济。

氢发动机汽车主要依靠燃烧氢气获得动力，因此对氢气燃烧过程中的安全问题，必须高度重视。比如，氢气燃烧时，其扩散速度甚至会超过声速，极容易出现“爆燃”现象。由于氢分子质量十分微小，氢气的扩散速度也很迅速，甚至数倍于氧气或二氧化碳。在发生事故时往往会引起爆炸，因此，很难安全地储存于某个场所内。

另外，由于发动机内燃烧氢气产生的高温，也会使空气中的氮气和氧气发生反应，生成少量的氮氧化物排放，会污染大气。通过混入更多的空气，降低发动机燃烧室的温度，可以使这少量氮氧化物减少到无害程度。

日本东京都市大学研制的氢发动机汽车，一般采用高压储气罐的方式来储存氢气燃料，不仅局限于轿车，而且也扩展到大客车、卡车等大型车辆方面。

大型车辆运行需要强劲的动力，研究表明，氢燃料发动机可以为大型机动车提供足够的动力。另外，与下述的燃料电池车相比，由于利用氢能源的方法不同，氢发动机汽车只是通过燃烧氢气获得动力，不需要昂贵的高纯度氢。尽管还存在许多问题需要改进，但氢发动机汽车的优点是十分明显的。

图1. 氢燃料发动机

氢气发动机与燃料电池工作原理示意图。氢气发动机的工作原理是，让氢气与空气（氧气和氮气）进行混合，在汽缸内燃烧，产生能量推动活塞运动，经过曲轴带动车轮转动。氢气燃烧后会变成水排放到外面。当然氢气也会使空气中的氮气与氧气进行反应，产生少量氮氧化物。

高效使用氢的燃料电池车

另外一种采用氢气作为燃料的环保汽车就是燃料电池车。这时所谓的“燃料”含义，与氢发动机汽车的情况完全不同。虽然都是让氢气与氧气进行化学反应，但燃料电池车里面的氢气，却没有发生任何燃烧现象，只是利用电极的电化学反应，得到电能驱动车辆。

燃料电池往往由数百枚薄薄的板材组成。每一张薄板是由喷涂着铂等金属材料形成的负或正极层，并且分别不断供给着氧气或氢气。在负极一端，通过铂的催化作用，把氢气分解成为氢离子和电子。这里产生的电子就会从负极流向正极，产生电流。而氢离子也会通过处于正负极之间的层层屏障移动到正极一侧，并且与那里的氧气结合，形成水分。

由上可知，燃料电池实际是一种能够产生出电能的“发电装置”。它并非像普通电池一样能够储存电能。目前在电动汽车里使用的锂离子电池，并不能利用水制造出电能，它才是真正意义上的电池：不能发电，只能储存电能。

另外，燃料电池的特点是，能量转换率比较高，理论上的最大转换率可达到83%左右，现在实际也有约60%。而使用普通燃料的发动机能量转换率却不到50%。因此，燃料电池车的续航距离比较长。例如，本田公司的燃料电池汽车（FCX clarity）在试验条件下，可以行驶约600公里。即使对普通的汽油车而言，这个指标也算是不错的。把燃料电池与锂离子充电电池配合使用，可以节省电能。本田公司正在开发一种能够最大限度发挥燃料电池优势的新型环保汽车，如果把能量密度小的氢气作为能源，可以让燃料电池的高效率特点发挥到极致。

而燃料电池车也有一些不足之处。比如，其持续做功的能力就比较差。因为燃料电池的输出功率需要通过化学反应来维持，而化学反应的速度是有一定限度的。而且与氢能源发动机汽车不同，燃料电池中，必须使用高纯度的氢，这也使其价格偏高。

图2. 氢燃料电池工作原理示意图

燃料电池的工作原理则是，让氢气只与空气中的氧气进行反应，不会产生氮氧化物。氢气在含有铂的负电极处，被分解成为氢离子和电子。氢离子通过“电解质膜”（只有离子才能通过的薄膜），电子则通过其他回路，分别向正极移动。把这样产生的电流送往电动机，带动车辆行驶。而移动到正极的氢离子与那里的氧气进行反应，生成水分，排放到外面去。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）