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            氫燃料內燃機VS氫燃料電池 機遇和挑戰并存

            近日,全球著名的重型機械制造商JCB重磅宣布,研發了一款能實現0二氧化碳排放的氫燃料活塞發動機。這能幫助運輸業繞過現有排放解決方案,更快地實現英國政府的零碳排放目標。那氫燃料內燃機和氫燃料電池

            燃燒與排放

            氫氣在燃燒過程中由氫氣與空氣參與燃燒而產生能量,燃燒產物以水為主,但由于空氣中還含有氮氣,因此在燃燒過程中還是會產生氮氧化合物,對環境仍舊有一定的影響,但沒有碳元素,也就沒有碳排放。而組成燃油的基本元素是碳和氫,還有少量氧、硫、氮等元素,因此在氮氧化合物和碳排放是不可避免的。

            擴散性

            氫氣具有極高的擴散速度,氫氣在進入燃燒室后,能夠以很快的速度填充整個燃燒空間,這就意味著,以氫氣作為燃料能夠更好地實現均質燃燒,從而提高發動機地效率。而燃料油則不具備這方面的優勢。

            燃燒價值

            汽油的能量密度為12500Wh/kg,但在實際中能用到的只有4000Wh/kg,而氫的能量密度約為33000Wh/kg,70MPa的儲氫罐體積密度只有1/6.5。氫燃料的燃燒價值是非常高的,相當于是焦炭的4.5倍,酒精的3.9倍,汽油的3倍。

            燃料密度

            氫氣的密度比較低,也就在燃燒室中具有較低的空燃體積比。而由于汽油是液體,所占的體積較小,所以具有很高的空燃體積比。在既定的空間內,空氣越少,越是不利于燃料的燃燒的。同時也由于氫氣由于密度小,裝載氫氣的燃料罐必須要很大,這里不但占據了很多空間,還會影響車輛的外觀。

            JCB的研究成果表明,新發動機完全基于JCB現有的Dieselmax448四缸發動機硬件,但在關鍵設計上進行了大量升級。從而,不僅不產生任何二氧化碳,而且比現有電池電動和氫燃料電池解決方案更具優勢,后兩者技術方案投入巨大。

            JCB氫發動機目標首要是非道路應用。在挖掘機一系列成功的初步試驗(挖掘機對發動機的需求遠大于汽車和卡車)后,JCB工程師團隊認為,他們已經掌握了這種技術,可以成功地應用于更廣泛的車輛類型上。

            JCB集團主席 安東尼•班福德勛爵(LordAnthony Bamford)說,2020年7月JCB集團就決定,在德比郡研發中心成立了一個專業的氫發動機研究團隊。此前,人們對活塞發動機前景悲觀,認為活塞發動機長期以來形成的專業知識、技術基礎、成熟的供應鏈體系即將解體。

            他解釋說:“我們不再為柴油發動機的前途而爭論,那已經成為歷史。而0碳排放一定是技術追求的目標,但我們不認為現有電池和燃料電池的技術路線是唯一解決方案。”

            班福德勛爵和JCB工程師們相信,他們比業內大多數人更了解真實的世界。因為,JCB近年來推出了一系列非常成功的純電池電動挖掘機。而且,JCB在20噸氫燃料電池驅動的挖掘機原型機方面,擁有豐富的現場經驗。JCB首席創新官Tim Burnhope解釋說,“氫發動機的最大優勢在于,可以快速、經濟地投入生產,現有的成熟技術、知識和體系將繼續發揮作用。”

            JCB的原型氫發動機設計了一個全新的進氣系統——降低的壓縮比、全新活塞、高壓共軌供油和進氣道噴射,設計完全符合現有機器的性能和驅動特性的需求。

            至于有毒排放物,即使是JCB實驗性氫發動機的“原始”排氣中的NOx含量也比柴油發動機的排放低,哪怕與采用最新后處理技術的柴油發動機相比,污染物排放量也減少了98%。

            還可以采取進一步的措施,將污染物排放降低到Burnhope所說的“0影響水平”,即污染物含量太低而無法衡量的水平。現場觀察發現:JCB氫發動機原型機的唯一顯著的排放是——啟動時噴出的蒸汽。

            JCB計劃將進一步開發氫發動機,并且已經調集資源,準備批量生產。

            而同樣以氫燃料作為動力的氫燃料電池,在和氫燃料內燃機相對比時又有何異同點呢?

            工作原理

            氫燃料電池的本質是一個發電裝置,利用氫氣和氧氣產生電化學反應從而釋放出電能和熱能,在反應過程中生成水,在這個過程是完全脫碳的,同時也不會產生其他氮氧化合物。因此,與氫燃料內燃機相比,它更環保,更符合碳達峰、碳中和的需求。

            氫燃料電池工作原理

            續航

            由于氫燃料內燃機就和氫燃料電池在產生能量的方式上有所差異,前者通過燃燒的方式,后者通過電化學反應的方式,使得兩者的憂慮也有所差異,在消耗等量氫氣的基礎上,氫燃料電池會有更多的續航里程。

            成本

            氫氣燃料電池在電化學反應過程中,所使用的催化層比較嬌貴,因此對其中的過濾系統的要求也比較高,需要的氫氣純度一般腰子99.99%以上,也就使其成本更高。

            以氫燃料作為動力是大勢所趨,目前在車、工程機械 船、飛機、電力系統、電網供電等方面已經開始應用和示范,未來將有更大的發展潛力、更多的發展機遇。

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