氢和燃料电池

翁德沃彭：

氢
氢气的生产
氢作为奥托发动机的燃料
燃料电池
储存罐
氢气的范围和成本

氢：
氢（英文称为Hydrogen）可以作为能源载体为车辆提供动力。能量载体是指能量已经预先投入到氢气中。这与石油、天然气和煤炭等（化石）能源形成鲜明对比，这些能源是通过燃烧处理这些物质来获得的。

因此，氢气与注水完全不同，注水不用作汽油发动机的能量载体，而纯粹用于冷却燃烧室。

目标是实现氢的“零排放”；一种在使用过程中不会产生有害气体的能源形式。从化石燃料到电力推进与氢和燃料电池相结合的转变属于能源转型。用氢气为车辆提供动力可以通过两种不同的方式完成：

使用氢气作为奥托发动机的燃料。氢气取代了汽油燃料。
在燃料电池中使用氢气产生电能。利用这种电能，电动机将完全以电力方式驱动车辆。
本页描述了这两种技术。

氢气可以用可持续能源或基于化石燃料来生产。我们尽力防止后者，因为未来化石燃料将变得稀缺。加工化石燃料时也会产生二氧化碳。

下面的列显示了电池、氢气和汽油的能量含量。我们看到有很多

巴特瑞：

能量含量：220Wh/kg、360Wh/l
非常高效
存储空间短
可直接释放能量
运输复杂

氢气（700 巴）：

能量含量：125.000 kJ/kg，34,72 kWh/kg
30% 热量，70% H2（PEM 燃料电池）
可长期保存
需要转换
交通方便

汽油：

能量值：43.000 kJ/kg，11,94 kWh/kh
回报率高达33%
可长期保存
必要的转换（燃烧）
交通方便

氢在我们周围随处可见，但从来不是免费的。它总是被束缚的。我们将生产它、隔离它并存储它。

1 千克纯氢气 (H2) 气体 = 11.200 升（大气压）
H2 比任何其他分子都小
H2 比任何其他分子都轻
H2一直在寻找联系

除了氢在乘用车中的生产和应用外，本页面还讨论了氢的储存和运输（页面底部）。

氢气的生产：
氢是一种不像天然气那样从地下提取的气体。必须产生氢气。除其他外，这是通过电解来完成的，电解是水转化为氢气和氧气的过程。这与燃料电池中发生的反应相反。此外，氢气可以通过不太环保的过程获得。下面的数据显示了 2021 年如何生产氢气。

煤：C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + …（温度：1300C-1500C）
天然气：CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 （要求温度：700C-1100C）
石油：CxHyNzOaSb + .... -> CH2 + 非常多的副产品
水电解：2H2O -> 2H2 + O2

水电解非常清洁，是最环保的制氢形式。这会释放氢气和氧气，不像化石燃料的加工会释放二氧化碳。

水的电解；电解是一种化学反应，可分解水分子以产生纯氢和氧。任何有水和电的地方都可以制造氢气。缺点是需要电力来制造氢气，然后再将其转化为电力。在此过程中损失高达 50%。优点是能量储存在氢气中。
转化化石燃料；石油和天然气含有由碳和氢组成的碳氢化合物分子。可以使用所谓的燃料处理器将氢从碳中分离出来。缺点是碳会以二氧化碳的形式消失在空气中。

用化石燃料生产的氢气称为灰氢。这会将氮氧化物和二氧化碳释放到大气中。

从2020年开始，生产将变得越来越“蓝色”：二氧化碳将被捕获。

目标是到 2030 年完全生产绿色氢：绿色电力和水是最环保的氢的来源。

在化学界，氢被称为H2，意思是氢分子由两个氢原子组成。 H2 是一种自然界中不存在的气体。 H2 分子存在于各种物质中，最著名的是水 (H20)。氢必须通过将氢分子与例如水分子分离来获得。

因此，通过电解生产氢气是未来的趋势。
下图显示了化学课程中常用的模型。

电池正负极悬在水中；
在阳极一侧得到氧气；
在阴极一侧得到氢气。

在这种情况下，由化石燃料（例如甲烷 (CH4)）产生的氢气通过重整转化为 H2 和 CO2。二氧化碳可以分离并储存在地下，例如空的天然气田中。因此，天然气的使用对大气中的二氧化碳排放几乎没有贡献或没有贡献。氢也可以由生物质制成。如果这个过程中释放的CO2也被分离并储存在地下，甚至有可能实现CO2负排放；从大气中去除二氧化碳并将其储存在地球上。

氢与石油、天然气和煤炭等化石燃料不同，它不是一种能源，而是一种能量载体。这意味着使用氢气（例如作为汽车燃料）时释放的能量必须首先投入。通过电解生产氢气需要电力。这种氢气的可持续性在很大程度上取决于所用电力的可持续性。

氢作为奥托发动机的燃料：
奥托发动机是汽油发动机的别称。汽油机是尼古拉斯·奥托于 1876 年发明的。在这种情况下，我们将其称为奥托发动机，因为汽油被另一种燃料（即氢气）取代。在喷射氢气的发动机中，不再有装有汽油的油箱。

与传统的奥托发动机和柴油发动机不同，燃烧氢气时不会产生二氧化碳气体，只会产生水。当通过直喷方式喷射氢气时，与汽油燃料相比，动力将增加2%至15%。当氢气注入入口阀（间接注入）时，通过空气快速加热。空气也被氢气置换。在这两种情况下，流入燃烧室的氧气 (O17) 都会减少。在最坏的情况下，电力损失高达 2%。
空气和氢气之间的比例并不像空气-汽油混合物那样精确。因此，燃烧室的形状并不重要。

氢气可以通过两种方式注入：
– 液体：采用液体氢气时，燃烧温度会因蒸发而相对下降，从而减少NOx的产生。
– 气态：如果氢气以液态形式储存在储罐中并在环境温度下流入燃烧空间，则必须使用蒸发器将氢气从液态转化为气态。在这种情况下，蒸发器被发动机冷却液加热。减少氮氧化物排放的可能措施有：申请 EGR, 注水或更低的压缩率.

下图显示了三种不同版本的氢气喷射的四种情况。在左起第二张图中，气态氢被间接喷射到进气歧管中。气态氢被环境温度加热。氢气也会占据空间，导致流入气缸的氧气减少。这是功率损耗最多的情况。
在第三张图中，氢气以液体形式供应。低温意味着氢气已经被非常强烈地冷却（一种在相对较小的储罐中以液态形式储存大量氢气的方法）。由于氢气的温度较低且呈液态，因此可以更好地填充气瓶。由于温度较低，效率几乎与直接（氢）喷射发动机一样高。第四张图中可以看到直喷发动机。整个燃烧空间充满氧气。当进气门关闭、活塞压缩空气时，一定量的氢气通过喷油器喷出。该发动机上的火花塞位于喷油器后面或旁边（图中未显示）。

奥托发动机的效率当然不是 100%，但在这张图片中，氢气的燃烧效率与汽油的燃烧效率进行了比较。

氢气的单位质量能量密度很高（120MJ/kg），几乎是汽油的三倍。氢气良好的点火特性使得发动机能够以非常稀薄的状态运行，拉姆达值为4到5。使用稀薄混合物的缺点是功率会较低并且驾驶特性会降低。为了弥补这一点，通常使用机械增压（涡轮增压）。
由于与汽油燃料相比，点火面积更大，因此爆炸或回火的风险更大。因此，良好地控制燃料供应和点火非常重要。在满负荷时，燃烧室中的温度会变得非常高。经常有注水必须确保充分冷却，从而防止过早点火（以爆炸或回火的形式）。

燃料电池：
上一节解释了氢如何作为内燃机的燃料。氢的另一个应用是燃料电池。配备燃料电池的车辆没有内燃机，而是配备一个或多个电动机。运行电动机的电能由燃料电池产生。燃料电池是一种电化学装置，可将化学能直接转化为电能，没有热或机械损失。因此，燃料电池中的能量转换非常高效。燃料电池通常使用氢气，但也可以使用甲醇等燃料。

原则上，燃料电池可以与电池进行比较，因为两者都通过化学过程产生电力。不同的是，电池中储存的能量会释放一次。随着时间的推移，能量会耗尽，因此电池需要充电。只要向电化学电池提供反应物，燃料电池就可以提供连续的能量。反应物是在化学反应中相互反应的化学物质。
在燃料电池中，氢和氧转化为 H+ 和 OH- 离子（带电粒子）。离子在燃料电池的不同室中被膜分开。燃料电池包含两个多孔碳电极，其上涂有催化剂；对于氢 (H) 为负极（阳极），对于氧 (O) 为正极（阴极）。

H+ 和 OH- 离子通过电极（阳极和阴极）相互引导，然后 + 和 - 离子相互反应。阴极催化电子和质子与氧反应形成最终产物二，即水的反应。 H+ 和 OH- 离子一起形成 H2O 分子。该分子不是离子，因为它的电荷是中性的。正粒子和负粒子一起形成中性粒子。

氢气 (H) 的氧化发生在阳极。氧化是分子贡献电子的过程。阳极充当催化剂，将氢分解成质子和电子。

通过添加氧气 (O) 在阴极发生还原反应。由阳极密封的电子将通过连接外部电子的电线传输到阴极。

通过不直接传输电子，而是通过外部路径（电流线），这种能量大部分以电能的形式释放。该电路由还原剂和氧化剂之间的连接电解质中的离子闭合。

吸收电子的粒子称为氧化剂，从而被还原。还原剂失去电子并被氧化。还原是粒子吸收电子的过程。氧化和还原总是同时进行的。释放和吸收的电子数量始终相同。

在负极发生以下反应：

正极发生不同的反应：

下图显示了丰田燃料电池堆的底视图。该燃料电池堆位于汽车引擎盖下方。电动机连接到该堆栈。电动机为变速器提供动力，变速器连接到驱动轴，将驱动力传递到车轮。
在烟囱顶部可以看到几根空气管。其中包括根据电动机所需的功率将空气泵送到燃料电池的气泵。
该燃料电池堆配备了370块燃料电池。每个燃料电池提供 1 伏的电压，因此总共可以向电动机提供 370 伏的电压。燃料电池全部位于彼此下方。红色圆圈显示放大图，可以清楚地看到燃料电池的堆叠。

储存罐：
尽管氢气具有很高的单位质量能量密度（120MJ/kg），因此几乎是汽油的三倍，但由于其较低的比质量，单位体积的能量密度非常低。对于储存来说，这意味着氢气必须在压力下或以液体形式储存，以便能够使用体积可控的储罐。车辆应用有两种变体：

350 或 700 bar 的气体储存；在 350 bar 的压力下，油箱容积的能量含量比汽油大 10 倍。
-253 度的液体储存（低温储存），其中罐体的能量含量比汽油大 4 倍。通过气态储存，氢气可以无限期储存，不会造成燃料损失或质量下降。另一方面，低温储存会导致蒸气形成。由于加热使罐内压力升高，氢气会通过泄压阀逸出；每天大约百分之二的泄漏是可以接受的。替代存储选项仍处于研究阶段。

下图显示了车下的两个储罐。这些储罐在 700 巴的压力下以气态形式储存氢气。这些储罐的壁厚约为 40 毫米（4 厘米），能够承受高压。

下面您可以再次看到氢气罐如何安装在汽车下方。塑料管是燃料电池转换过程中产生的水的排放口。

加氢：
在撰写本文时，荷兰只有两个加氢站。这些加油站之一位于鲁恩（南荷兰）。图像显示用于加油的加油喷嘴。商用车的灌装工作压力为 350 bar，乘用车的灌装工作压力为 700 bar。

汽车中的加油接口位于通常的燃油盖后面。填充枪连接至该填充接头。连接灌装嘴后，连接将锁定。汽车的储罐将充满700巴压力的气态氢气。

氢气的范围和成本
作为示例，我们以丰田 Mirai（2021 年款）为例，看看其续航里程和额外成本：

航程650公里；
油耗：0,84公斤/100公里；
每公里燃油价格：0,09至13美分；
路税 €0,-

与柴油发动机车辆相比，燃料电池汽车并不便宜。尽管道路税成本起着主要作用，但2021年荷兰的加油站数量仍然稀缺。以下是每百公里成本与当前燃油价格的比较：

宝马 320d (2012)

柴油：每升 1,30 欧元；
油耗：5,8升/100公里；
100 公里费用：7,54 欧元。

丰田未来（2020）：

氢气：每公斤 10 欧元；
油耗：0,84公斤/100公里；
100 公里费用：8,40 欧元