简单易懂的氢发动机的工作原理!

  随着世界各国走向碳中和，包括乘用车、卡车和船舶在内的交通运输行业也需要改用可减少二氧化碳排放的替代燃料。在这种情况下，氢发动机作为传统柴油和汽油发动机的新替代品而受到关注。

  本篇我们将为您深入浅出地介绍氢发动机的基础原理、优点以及实际应用的趋势。

  氢发动机是用氢气代替传统内燃机中的燃料，利用氢气的燃烧反应获得动力的发动机。内燃机是燃烧柴油或汽油等燃料来获取能量的原动机，因此如果您认为“氢发动机”=“燃烧氢气而不是柴油的发动机”可能会更容易理解汽油。”。

  当氢气燃烧时，它与氧气结合并变成水。从理论上讲，据说它比使用化石燃料的传统发动机对环境的影响更低，因为它们在燃烧过程中不排放二氧化碳。

  当您想到氢燃料汽车时，许多人可能会想到已经上市的FCV（燃料电池汽车）。FCV 是一种电动汽车，它通过燃料电池中氢和氧之间的化学反应（而不是内燃机）来发电，并使用该电力来驱动发动机。电力和水是由空气中的氢气和氧气发生化学反应产生的，但燃料电池汽车以电力为动力，仅在行驶时排放水。

  另一方面，尽管它们使用相同的氢气，但氢发动机是应用现有发动机技术制造的，因此发电机制不同。

  此外，燃料电池汽车用氢气纯度高达99.97%，相应增加了成本。另一方面，氢发动机还能处理低纯度氢气，因此未来它们可能能够以比燃料电池汽车更合理的价格供应燃料。

  我之前提到，氢发动机的机制是传统内燃机的延伸。然而，可能有很多人一开始并不了解汽油发动机的工作原理。

  从这里，我们将比较柴油发动机和氢发动机，并以易于理解的方式解释它们的机制。

  柴油机使用拥有非常良好可燃性的轻油作为燃料。通过压缩气缸内的空气并将燃料喷射到高温空气中，产生活塞（往复）运动，由此产生驱动所需的旋转力。

  氢发动机和柴油发动机的主要不同之处在于它们使用氢气作为燃料。内燃机燃烧氢气和空气（氧气）产生水蒸气、氮气、过量氧气等，从而增加工作气体的整体压力，从而移动活塞并产生驱动所需的动力。

  第一个优点是二氧化碳排放量能保持在最低限度。这来自氢的特性。汽油是传统发动机的燃料，由石油制成。石油是一种化石燃料，因此燃烧时会排放二氧化碳。

  另一方面，氢作为氢发动机的燃料，具有与空气中的氧气发生反应并在燃烧时变成水的特性。换句话说，它在行驶时几乎不排放二氧化碳。

  第二个优点是，可通过可再次生产的能源产生的电力分解水来生产氢气。地球上的大部分氢以与水和其他元素的化合物形式存在。因此，第一步是要使用以下方法之一来制造氢气。

  一种非常关注的方法是通过自然能源电解水来生产氢气的方法。太阳能、风能等自然能源也被称为“可再次生产的能源”，作为不排放温室气体的宝贵的国内能源而受到关注。如果未来得到更广泛的应用，将对氢发动机的实际应用做出巨大贡献。

  第三个优点是不需要过多的担心能源耗尽。与消耗性化石燃料（石油和煤炭）不同，只要有来自可再次生产的能源的电力和水，氢就可以无限期地生产。

  氢是一种环保且在地球上大量存在的氢，真正可以称为一种清洁、多功能、可持续的能源。

  乍一看，氢发动机的实现似乎是一个遥远的未来，但事实上，许多公司已在致力于氢发动机的商业化。

  氢发动机在全世界内被认为是汽车和摩托车的一种清洁能源替代品，它的研究和开发吸引了众多国家的关注。虽然日本在这一领域取得了一定进展，例如东京城市大学（原武藏工业大学）自20世纪70年代以来就开始研究氢发动机，并且丰田和川崎在氢能源汽车和摩托车上的尝试，但其他几个国家和地区也在积极推动氢能技术的应用和发展。

  在欧洲，德国已经投资建立了全国范围的氢燃料站网络，支持氢能汽车的普及，并且德国的汽车制造商如宝马和奔驰也在积极开发氢燃料电池车。同时，欧盟也在推动氢能作为实现碳中和目标的关键能源。

  美国加州作为氢能源技术的先驱，已经建立了一些氢燃料站，并且美国的一些公司如特斯拉也在探索氢燃料电池技术。此外，韩国和中国也在氢能源领域展示了强烈的兴趣和投资，韩国政府计划到2040年成为全世界氢经济的领导者。

  在海洋运输领域，除了氢发动机外，氢燃料电池和蓄电池也曾被考虑作为候选方案，但两者价格昂贵，且不适合在大型内航和长航程远洋船舶上使用，面临着挑战。

  然而，如果我们也可以将能量体积密度比电池更高的氢发动机商业化，我们该能够在海上运输领域的脱碳方面取得重大进展。

  当然，氢发动机的实际应用还存在很多挑战。氢气是一种高度易燃气体，因此在发动机中使用氢气需要稳定的燃烧控制。此外，由于氢气分子小，容易泄漏，因此就需要建立气封技术来密封气体。

  国际社会强烈需要减少导致全球变暖的二氧化碳排放。日本公布了《2050年碳中和绿色增长战略》，大大加速了脱碳趋势。

  氢气易燃、无味，燃烧时不排放二氧化碳，使其成为发动机的完美无碳能源。此外，通过从可再次生产的能源电力中分离水来产生水的能力及无需担心水耗尽的事实意味着它提供了传统发动机所没有的新可能性。

  但氢发动机的实际应用也确实存在挑战。为实现实际应用和商业化，国家政府、地方政府和相关行业共同努力推进研究和技术开发非常重要。

  例如，某些领先的动力技术公司与船舶制造商与发动机制造商组成联合体，共同推进氢燃料发动机的开发，这不仅限于日本，还包括欧洲、美国和亚洲的其他几个国家。这些合作伙伴致力于开发大型船用发动机，旨在通过氢能源的利用为远洋和国内航运业提供支持。

  为加速这一进程，创立了专门的公司和研究机构，如“HyEng株式会社”，旨在逐步推动氢燃料发动机的联合开发和市场化，为氢能源在航运业的广泛应用铺平道路。此外，全球各地的公司正在开发和引入诸如氢燃料热电联产系统等创新技术，这些技术旨在进一步拓宽氢能源在所有的领域的应用。

  随着这些国际合作和技术发展的推进，氢发动机的商业化前景愈发明朗。这不仅是技术的胜利，也标志着向低碳未来迈出了坚实的一步，为实现全球的可持续发展做出贡献。