科目：
- 氫
- 氫氣的生產
- 氫作為奧托發動機的燃料
- 燃料電池
- 儲存罐
- 氫氣的範圍和成本
氫：
氫（英文稱為Hydrogen）可以作為能源載體為車輛提供動力。 能量載體是指能量已經預先投入氫氣中。 這與石油、天然氣和煤炭等（化石）能源形成鮮明對比，這些能源是透過燃燒處理這些物質來獲得的。
因此，氫氣與注水完全不同，注水不用作汽油引擎的能量載體，而純粹用於冷卻燃燒室。
目標是實現氫的「零排放」； 一種在使用過程中不會產生有害氣體的能源形式。 從化石燃料到電力推進與氫和燃料電池結合的轉變屬於 能源轉型。 用氫氣為車輛提供動力可以透過兩種不同的方式完成：
- 使用氫氣作為奧托發動機的燃料。 氫氣取代了汽油燃料。
- 在燃料電池中使用氫氣產生電能。 利用這種電能，電動馬達將完全以電力方式驅動車輛。
本頁描述了這兩種技術。
氫氣可以用永續能源或基於化石燃料來生產。 我們盡力防止後者，因為未來化石燃料將變得稀缺。 加工化石燃料時也會產生二氧化碳。
下面的欄位顯示了電池、氫氣和汽油的能量含量。 我們看到有很多
電池：
- 能量含量：220Wh/kg、360Wh/l
- 非常有效率
- 儲存空間短
- 可直接釋放能量
- 運輸複雜
氫氣（700 巴）：
- 能量含量：125.000 kJ/kg，34,72 kWh/kg
- 30% 熱量，70% H2（PEM 燃料電池）
- 可長期保存
- 需要轉換
- 交通方便
汽油：
- 能量值：43.000 kJ/kg，11,94 kWh/kh
- 回報率高達33%
- 可長期保存
- 必要的轉換（燃燒）
- 交通方便
氫在我們周圍隨處可見，但從來不是免費的。 它總是被束縛的。 我們將生產它、隔離它並儲存它。
- 1 公斤純氫氣 (H2) 氣體 = 11.200 公升（大氣壓力）
- H2 比其他分子都小
- H2 比其他分子都輕
- H2一直在尋找聯繫
除了氫在乘用車中的生產和應用外，本頁面還討論了氫的儲存和運輸（頁面底部）。
氫氣的生產：
氫是一種不像天然氣那樣從地下提取的氣體。 必須產生氫氣。 除此之外，這是透過電解來完成的，電解是水轉化為氫氣和氧氣的過程。 這與燃料電池中發生的反應相反。 此外，氫氣可以透過不太環保的過程來獲得。 下面的數據顯示了 2021 年如何生產氫氣。
- 煤：C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + …（溫度：1300C-1500C）
- 天然氣：CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 （要求溫度：700C-1100C）
- 石油：CxHyNzOaSb + .... -> CH2 + 非常多的副產品
- 水電解：2H2O -> 2H2 + O2
水電解非常清潔，是最環保的氫氣生產形式。 這會釋放氫氣和氧氣，不像化石燃料的處理會釋放二氧化碳。
- 水的電解； 電解是一種化學反應，可分解水分子以產生純氫和氧。 任何有水和電的地方都可以製造氫氣。 缺點是需要電力來製造氫氣，然後再轉化為電力。 在此過程中損失高達 50%。 優點是能量儲存在氫氣中。
- 轉化化石燃料； 石油和天然氣含有由碳和氫組成的碳氫化合物分子。 可以使用所謂的燃料處理器將氫從碳中分離出來。 缺點是碳會以二氧化碳的形式消失在空氣中。
用化石燃料生產的氫氣稱為灰氫。 這會將氮氧化物和二氧化碳釋放到大氣中。
從2020年開始，生產將變得越來越「藍色」：二氧化碳將被捕獲。
目標是到 2030 年完全生產綠氫：綠色電力和水是最環保的氫的來源。
在化學界，氫被稱為H2，意思是氫分子由兩個氫原子組成。 H2 是一種自然界中不存在的氣體。 H2 分子存在於各種物質中，最著名的是水 (H20)。 氫必須透過將氫分子與例如水分子分離來獲得。
因此，透過電解生產氫氣是未來的趨勢。
下圖顯示了化學課程中常用的模型。
- 電池正負極懸在水中；
- 在陽極一側得到氧氣；
- 在陰極一側得到氫氣。
在這種情況下，化石燃料（例如甲烷 (CH4)）產生的氫氣會透過重整轉化為 H2 和 CO2。 二氧化碳可以分離並儲存在地下，例如空的天然氣田中。 因此，天然氣的使用對大氣中的二氧化碳排放幾乎沒有貢獻或沒有貢獻。 氫也可以由生物質製成。 如果這個過程中釋放的CO2也被分離並儲存在地下，甚至有可能實現CO2負排放； 從大氣中去除二氧化碳並將其儲存在地球上。
氫與石油、天然氣和煤炭等化石燃料不同，它不是一種能源，而是能量載體。 這意味著使用氫氣（例如作為汽車燃料）時釋放的能量必須先投入。 透過電解生產氫氣需要電力。 這種氫氣的可持續性在很大程度上取決於所用電力的可持續性。
氫作為奧托發動機的燃料：
奧托引擎是汽油引擎的別稱。 汽油引擎是尼古拉斯·奧托於 1876 年發明的。 在這種情況下，我們稱之為奧托發動機，因為汽油被另一種燃料（即氫氣）取代。 在噴射氫氣的引擎中，不再有裝有汽油的油箱。
與傳統的奧托引擎和柴油引擎不同，燃燒氫氣時不會產生二氧化碳氣體，只會產生水。 當透過直噴方式噴射氫氣時，與汽油燃料相比，動力將增加2%至15%。 當氫氣注入入口閥（間接注入）時，透過空氣快速加熱。 空氣也被氫氣置換。 在這兩種情況下，流入燃燒室的氧氣 (O17) 都會減少。 在最壞的情況下，電力損失高達 2%。
空氣和氫氣之間的比例並不像空氣-汽油混合物那樣精確。 因此，燃燒室的形狀並不重要。
氫氣可以透過兩種方式註入：
– 液體：採用液體氫氣時，燃燒溫度會因蒸發而相對下降，進而減少NOx的產生。
– 氣態：如果氫氣以液態儲存在儲槽中並在環境溫度下流入燃燒空間，則必須使用蒸發器將氫氣從液態轉換為氣態。 在這種情況下，蒸發器會被引擎冷卻液加熱。 減少氮氧化物排放的可能措施有： 申請 EGR, 注水 或更低的 壓縮率.
下圖顯示了三種不同版本的氫氣噴射的四種情況。 在左起第二張圖中，氣態氫間接噴射到進氣歧管中。 氣態氫被環境溫度加熱。 氫氣也會佔據空間，導致流入汽缸的氧氣減少。 這是功率損耗最多的情況。
在第三張圖中，氫氣以液體形式供應。 低溫意味著氫氣已經被非常強烈地冷卻（一種在相對較小的儲存槽中以液態形式儲存大量氫氣的方法）。 由於氫氣的溫度較低且呈液態，因此可以更好地填充氣瓶。 由於溫度較低，效率幾乎與直接（氫）噴射引擎一樣高。 第四張圖中可以看到直噴引擎。 整個燃燒空間充滿氧氣。 當進氣門關閉、活塞壓縮空氣時，一定量的氫氣會經由噴油嘴噴出。 此引擎上的火星塞位於噴油嘴後方或旁邊（圖中未顯示）。
奧托引擎的效率當然不是 100%，但在這張圖中，氫氣的燃燒效率與汽油的燃燒效率進行了比較。
氫氣的單位質量能量密度很高（120MJ/kg），幾乎是汽油的三倍。 氫氣良好的點火特性使得引擎能夠以非常稀薄的狀態運行，拉姆達值為4到5。使用稀薄混合物的缺點是功率會較低且駕駛特性會降低。 為了彌補這一點，通常使用機械增壓（渦輪增壓）。
由於與汽油燃料相比，點火面積更大，因此爆炸或回火的風險更大。 因此，良好地控制燃料供應和點火非常重要。 在滿載時，燃燒室中的溫度會變得非常高。 經常有 注水 必須確保充分冷卻，從而防止過早點火（以爆炸或回火的形式）。
燃料電池：
上一節解釋了氫如何作為內燃機的燃料。 氫的另一個應用是燃料電池。 配備燃料電池的車輛沒有內燃機，而是配備一個或多個電動馬達。 運轉電動機的電能由燃料電池產生。 燃料電池是一種電化學裝置，可將化學能直接轉換為電能，且沒有熱或機械損失。 因此，燃料電池中的能量轉換非常有效。 燃料電池通常使用氫氣，但也可以使用甲醇等燃料。
原則上，燃料電池可以與電池進行比較，因為兩者都透過化學過程產生電力。 不同的是，電池中儲存的能量會釋放一次。 隨著時間的推移，能量會耗盡，因此電池需要充電。 只要向電化學電池提供反應物，燃料電池就可以提供連續的能量。 反應物是化學反應中相互反應的化學物質。
在燃料電池中，氫和氧轉化為 H+ 和 OH- 離子（帶電粒子）。 離子在燃料電池的不同室中被膜分開。 燃料電池包含兩個多孔碳電極，其上塗有催化劑； 對於氫 (H) 為負極（陽極），對於氧 (O) 為正極（陰極）。
H+ 和 OH- 離子透過電極（陽極和陰極）相互引導，然後 + 和 - 離子相互反應。 陰極催化電子和質子與氧反應形成最終產物二，即水的反應。 H+ 和 OH- 離子一起形成 H2O 分子。 該分子不是離子，因為它的電荷是中性的。 正粒子和負粒子一起形成中性粒子。
氫氣 (H) 的氧化作用發生在陽極。 氧化是分子貢獻電子的過程。 陽極充當催化劑，將氫分解成質子和電子。
透過添加氧氣 (O) 在陰極發生還原反應。 由陽極密封的電子將透過連接外部電子的電線傳輸到陰極。
透過不直接傳輸電子，而是透過外部路徑（電流線），這種能量大部分以電能的形式釋放。 此電路由還原劑和氧化劑之間的連接電解質中的離子閉合。
吸收電子的粒子稱為氧化劑，從而被還原。 還原劑失去電子並且被氧化。 還原是粒子吸收電子的過程。 氧化和還原總是同時進行的。 釋放和吸收的電子數量始終相同。
在負極發生以下反應：
正極發生不同的反應：
下圖顯示了豐田燃料電池堆的底部視圖。 此燃料電池堆位於汽車引擎蓋下方。 電動機連接到該堆疊。 電動馬達為變速器提供動力，變速箱連接到驅動軸，將驅動力傳遞到車輪。
在煙囪頂部可以看到幾根空氣管。 其中包括根據電動馬達所需的功率將空氣泵送到燃料電池的氣泵。
該燃料電池堆配備了370個燃料電池。 每個燃料電池提供 1 伏特的電壓，因此總共可以向電動馬達提供 370 伏特的電壓。 燃料電池全部位於彼此下方。 紅色圓圈顯示放大圖，可以清楚看到燃料電池的堆疊。
儲存槽：
儘管氫氣具有很高的單位質量能量密度（120MJ/kg），因此幾乎是汽油的三倍，但由於其較低的比質量，單位體積的能量密度非常低。 對於儲存來說，這意味著氫氣必須在壓力下或以液體形式儲存，以便能夠使用體積可控的儲存槽。 車輛應用有兩種變體：
- 350 或 700 bar 的氣體儲存； 在 350 bar 的壓力下，油箱容積的能量含量比汽油大 10 倍。
- -253 度的液體儲存（低溫儲存），其中罐體的能量含量比汽油大 4 倍。 透過氣態儲存，氫氣可以無限期儲存，不會造成燃料損失或品質下降。 另一方面，低溫儲存會導致蒸氣形成。 由於加熱使罐內壓力升高，氫氣會透過洩壓閥逸出； 每天大約百分之二的洩漏是可以接受的。 替代儲存選項仍處於研究階段。
下圖顯示了車下的兩個儲罐。 這些儲槽在 700 巴的壓力下以氣態形式儲存氫氣。 這些儲罐的壁厚約為 40 毫米（4 公分），能夠承受高壓。
下面您可以再次看到氫氣罐如何安裝在汽車下方。 塑膠管是燃料電池轉換過程中產生的水的排放口。
加氫：
在撰寫本文時，荷蘭只有兩個加氫站。 這些加油站之一位於魯恩（南荷蘭）。 影像顯示用於加油的加油噴嘴。 商用車的填充工作壓力為 350 bar，乘用車的填充工作壓力為 700 bar。
汽車中的加油接口位於通常的燃油蓋後面。 填充槍連接至該填充接頭。 連接灌裝嘴後，連接將鎖定。 汽車的儲槽將充滿700巴壓力的氣態氫氣。
氫氣的範圍和成本
作為範例，我們以豐田 Mirai（2021 年款）為例，看看其續航里程和額外成本：
- 航程650公里；
- 油耗：0,84公斤/100公里；
- 每公里燃油價格：0,09至13美分；
- 路稅 €0,-
與柴油引擎車輛相比，燃料電池汽車並不便宜。 儘管道路稅成本起著主要作用，但2021年荷蘭的加油站數量仍然稀缺。 以下是每百公里成本與當前燃油價格的比較：
BMW 320d (2012)
- 柴油：每公升 1,30 歐元；
- 油耗：5,8公升/100公里；
- 100 公里費用：7,54 歐元。
豐田未來（2020）：
- 氫氣：每公斤 10 歐元；
- 油耗：0,84公斤/100公里；
- 100 公里費用：8,40 歐元
