新能源(氫能源)汽車淺析:氫燃料發動機,燃料電池發動機

利用氫能源的汽車，當下所謂的新能源（氫能源）汽車，其實有兩種，一種是氫燃料發動機，另一種是燃料電池發動機。

採用的純氫燃料發動機和摻氫燃料發動機均屬於氫燃料發動機，通過對當前的汽油發動機進行相應的改裝，進而能夠燃用氫氣。有著較強的實用性，氫氣不僅能夠進入到氣管當中和空氣進行預混，同時也能夠直接噴進到氣缸當中，形成混合氣。缺點：氫燃料著火溫度較高，並且傳播速度非常的快，因此氫燃料發動機也就會出現早燃燒、回火以及排放偏高。

而另外一種燃料電池發動機，才是重點。早在 2002 年，中科院就啟動了一個非常重要的研究項目，那就是「大功率質子交換膜燃料電池發動機及氫源技術」。其優點如下：

1.氫氣有益於能源安全。因為氫可以通過各種一次能源來獲取，包括各種可再生能源，由於這個原因，氫氣可以作為石油的替代品。

2.氫氣有益於環境，它生產和使用過程中，不會產生對人體健康有害的物質，有益於減少溫室氣體的排放。

3.氫可以帶來經濟性的增長，通過提供就業機會，促進工作發展，投資機會，創造一個可持續發展的、安全的能源供應。

質子交換膜燃料電池：由許多個電池單體組成。每個電池單體又由兩塊雙極板、一塊絕緣板、兩塊附有催化層的兼做氣體擴散層的電極、一塊質子交換膜構成。

燃料電池的基本原理是：利用加在相對電極間的電解質使燃料氫和氧化劑氧解離成電子和離子，通過兩極間的電解質使離子分離、相對極移動，並把解離的電子引導到外部迴路，產生電流。具體為：氫氣在陽極催化劑的作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子並釋放出帶負電的電子，氫離子穿過質子交換膜到達陰極，電子通過外電路到達陰極，電子在外電路形成電流，通過連接可向負載輸出電能。在電池另一端，氧氣在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發生反應生成水。

反應方程式如下所示：

質子交換膜燃料電池的結構圖

質子交換膜燃料電池的電極反應公式

a）雙極板、b）氣體流動通道、c）電極層、d）催化層、e）質子交換膜層

質子交換膜燃料電池（PEMFC）:是一種燃料電池，在原理上相當於水電解的「逆」裝置。

說到這裡，肯定有人提出疑問到底燃料電池與蓄電池會有什麼區別？

1． 燃料電池和蓄電池都是發生化學反應產生電流。它們的燃料存儲方式不同。燃料電池是將燃料貯存於電池的外部，因而，只需要不斷的向電極提供燃料；蓄電池中的化學能是存儲在電池的正負極，因此存儲容量有限。所以說，燃料電池是一種能量轉換的裝置，在工作時只要有燃料的輸入，就會有電能的產出。蓄電池只是一種能量儲存裝置，必須先將電能儲存到蓄電池中，在工作時才能通過蓄電池釋放出電能，而不是產生電能，這是燃料電池與普通電池本質的區別。

2． 燃料電池的技術性能一旦確定後，它所能夠產生的電能只和燃料的供應有關，只要供給燃料就可以產生電能，其放電特性是連續進行的。蓄電池的技術性能確定後，只能在其額定範圍內輸出電能，而且必須是重複充電後才可能重複使用，其放電特性是間斷進行的。

3． 燃料電池發電不受卡諾循環限制，它直接將化學能轉換為電能，不經過熱交換過程。因此，燃料電池比傳統的蒸汽循環發電機具有更有效的電能轉換技術。燃料電池發電效率為 40％～60％，主要取決於電解質，而且燃料電池的效率通常與容量無關，也就是說，一個小的燃料電池電站的效率可能大於大電站。蓄電池本身具有接近 80％的發電效率，然而，原燃料經電池轉換為交流電後的整個系統效率減少到30％以下。這是因為電能轉換時發生了能量損失。燃料電池發電系統在滿負荷時具有很高的電能轉換效率。即使負載減小，轉換效率仍然很高。

4． 燃料電池本體的質量和體積並不大，但燃料電池需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備，才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備的質量和體積遠遠超過燃料電池本身。普通蓄電池沒有其他輔助設備，在技術性能確定後，不論是充滿電還是放完電，蓄電池的質量和體積基本不變。

5． 燃料電池比蓄電池更適合做太陽能發電系統的輔助發電系統。燃料電池不會對環境造成任何有害影響，蓄電池需要特別小心處理預防有毒物質分散，所有商用的電池或者發展中的發電系統的應用都包含有有害或者有毒物質，例如鉛、鎘、鈉、硫磺、溴等等。由於蓄電池沒有明顯的廢品回收價值，必須以有害廢物對待，正確處置廢電池是一個問題。

2019年兩會期間，《政府工作報告》進行了修改，推動消費穩定增長部分補充了「推動充電、加氫等設施建設」等若干項內容。發展氫能源是實現節能減排的必然選擇。利好上市公司有美錦能源、南都電源、道氏技術、富瑞特裝、雪人股份、茂化實華。