水素エンジン。 それがどのように機能し、不利な点

内燃焼エンジンは、劇的に別個のパワーユニットとしては現れませんでした。 むしろ、古典的なモーターは、ヒートエンジンの改良と改良の結果として生まれました。 車のボンネットの下で見慣れているユニットが徐々に登場していく様子をご覧ください。 別の記事で.

しかし、内部燃焼エンジンを搭載した最初の車が登場したとき、人類は馬のように一定の給餌を必要としない自走式の車を受け取りました。 1885年以降、モーターでは多くのことが変更されましたが、XNUMXつの欠点は変わりません。 ガソリン（または他の燃料）と空気の混合物の燃焼中に、環境を汚染する非常に多くの有害物質が放出されます。

自走式車両が登場する前に、ヨーロッパ諸国の建築家が大都市が馬の糞に溺れるのではないかと恐れていたとしたら、今日、メガロポリスの住民は汚れた空気を吸い込んでいます。

輸送に関する環境基準の厳格化により、自動車メーカーはよりクリーンなパワートレインを開発する必要があります。 そのため、多くの企業が、1828年に登場した電気牽引式の自走式カートであるAnjosJedlikの以前に作成された技術に興味を持つようになりました。 そして今日、この技術は自動車の世界で非常にしっかりと確立されているので、電気自動車やハイブリッド車で誰も驚かないでしょう。

しかし、本当に励みになるのは発電所であり、その唯一の放出は飲料水です。 水素エンジンです。

水素エンジンとは何ですか？

水素を燃料とするエンジンの一種です。 この化学元素を使用すると、炭化水素資源の枯渇が減少します。 このような設備に関心を持つXNUMXつ目の理由は、環境汚染の削減です。

輸送に使用されるモーターのタイプに応じて、その動作は従来の内燃焼エンジンとは異なるか、同じになります。

簡単な歴史

水素内燃焼エンジンは、ICEの原理が開発および改良されていたのと同じ時期に登場しました。 フランスのエンジニアおよび発明者は、独自のバージョンの内燃焼エンジンを設計しました。 彼が開発に使用した燃料は水素であり、これはHの電気分解の結果として現れます。₂A. 1807年、最初の水素自動車が登場しました。

Isaac De Rivazは、1807年に、軍事機器用のトラクターの開発について特許を申請しました。 彼は、動力装置のXNUMXつとして水素を使用することを提案しました。

パワーユニットはピストンであり、その中での点火はシリンダー内の火花の形成によるものでした。 確かに、発明者の最初の作成には手動の火花生成が必要でした。 わずかXNUMX年後、彼は仕事を終え、最初の自走式水素車が誕生しました。

しかし、当時、ガスはガソリンほど入手・保管が容易ではなかったため、開発は重要視されていませんでした。 レニングラードでは、1941年後半からの封鎖中に水素モーターが実際に使用されました。 ただし、これらは水素ユニットだけではないことを認めなければなりません。 これらは通常のGAZ内燃焼エンジンであり、燃料がないだけでしたが、バルーンを燃料としていたため、当時はガスが豊富でした。

80年代前半、ヨーロッパだけでなく、アメリカ、ロシア、日本など多くの国がこの種の設備の実験に着手しました。 そこで、1982年にクヴァント工場とRAF自動車企業の共同作業により、水素と空気の混合物で作動する複合モーターが登場し、5kW / hのバッテリーがエネルギー源として使用されました。

それ以来、さまざまな国でモデルラインに「グリーン」車両を導入する試みが行われてきましたが、ほとんどの場合、そのような車両はプロトタイプカテゴリのままであるか、非常に限定されたエディションでした。

その仕組み

今日、このカテゴリーの多くの作動モーターがあるので、個々の場合において、水素プラントはそれ自身の原理に従って作動します。 従来の内燃焼エンジンを置き換えることができるXNUMXつの変更がどのように機能するかを検討してください。

そのようなモーターでは、燃料電池が間違いなく使用されます。 それらは、電気化学反応を活性化する一種の発生器です。 デバイス内で水素が酸化され、反応の結果、電気、水蒸気、窒素が放出されます。 このような設備では二酸化炭素は排出されません。

同様のユニットをベースにした車両は同じ電気自動車であり、その中のバッテリーだけがはるかに小さいです。 燃料セルは、すべての車両システムを操作するのに十分なエネルギーを生成します。 唯一の注意点は、プロセスの開始からエネルギーの生成まで、約2分かかる可能性があることです。 ただし、インストールの最大出力は、システムがウォームアップした後に開始されます。これには、60分からXNUMX分かかります。

発電所が無駄に動かないように、また旅行のための輸送を事前に準備する必要がないように、従来のバッテリーがそれに取り付けられています。 運転中は回復により充電され、発進専用に必要です。

このような車には、水素が送り込まれるさまざまな容量のシリンダーが装備されています。 運転モード、車のサイズ、電気設備の電力にもよりますが、100キロの移動にはXNUMXキログラムのガスで十分です。

水素エンジンタイプ

水素エンジンにはいくつかの変更がありますが、それらはすべてXNUMXつのタイプに分類されます。

• 燃料電池付きユニットタイプ。
• 水素で作動するように適合された改良された内部燃焼エンジン。

それぞれのタイプを別々に考えてみましょう：それらの機能は何ですか。

水素燃料電池をベースにした発電所

燃料セルは、電気化学的プロセスが発生するバッテリーの原理に基づいています。 水素類似体の唯一の違いは、効率が高いことです（場合によっては、45％以上）。

燃料セルは、カソードとアノードのXNUMXつの要素が配置された単一のチャンバーです。 両方の電極はプラチナ（またはパラジウム）でコーティングされています。 それらの間に膜があります。 キャビティをXNUMXつのチャンバーに分割します。 酸素はカソードとともにキャビティに供給され、水素はXNUMX番目のキャビティに供給されます。

その結果、化学反応が起こり、その結果、酸素と水素の分子が結合して電気が放出されます。 このプロセスの副作用は、水と窒素が放出されることです。 燃料電池の電極は、電気モーターを含む自動車の電気回路に接続されています。

水素内燃焼エンジン

この場合、エンジンは水素と呼ばれますが、従来のICEと同じ構造になっています。 唯一の違いは、燃焼するのはガソリンやプロパンではなく、水素であるということです。 シリンダーに水素を充填すると、問題が60つあります。このガスは、従来のユニットの効率を約XNUMX％低下させます。

エンジンをアップグレードせずに水素に切り替える際のその他の問題は次のとおりです。

• HTSが圧縮されると、ガスは燃焼室とピストンを構成する金属と化学反応を起こします。これは、エンジンオイルでも発生することがよくあります。 このため、燃焼室で別の化合物が形成されますが、これは十分に燃焼する特別な能力によって区別されません。
• 燃焼室の隙間は完全でなければなりません。 燃料システムの漏れが少なくとも最小限に抑えられている場合、高温の物体と接触するとガスが容易に発火します。

ホンダクラリティ用エンジン

これらの理由から、回転エンジンの燃料として水素を使用する方が実用的です（それらの機能は何ですか、読んでください ここで）。 このようなユニットの吸気マニホールドと排気マニホールドは互いに別々に配置されているため、入口のガスは加熱されません。 とはいえ、より安価で環境にやさしい燃料を使用するという問題を回避するためにエンジンが近代化されている間。

燃料電池の寿命はどのくらいですか？

今日、世界中でそのような車は非常にまれであり、まだシリーズに含まれていないため、このエネルギー源がどのような資源を持っているかを言うのは難しいです。 職人はこの点に関してまだ経験がありません。

唯一言えることは、トヨタの代表者によると、彼らの生産車ミライの燃料電池は、最大250万キロのエネルギーを途切れることなく生成することができるということです。 このマイルストーンの後、デバイスの有効性を監視する必要があります。 性能が著しく低下した場合は、認定サービスセンターで燃料電池を交換してください。 確かに、会社がこの手続きにまともな金額をとることを期待する必要があります。

どの会社がすでに水素自動車を製造している、または製造する予定ですか？

多くの企業が環境にやさしいパワーユニットの開発に取り組んでいます。 これが自動車ブランドであり、その設計局にはすでに機能するオプションがあり、シリーズに入る準備ができています。

• メルセデスベンツはGLCF-Cellクロスオーバーで、2018年に販売開始が発表されましたが、これまでに買収したのはドイツの少数の企業や省庁のみです。 プロトタイプの水素燃料セルトラクター、GenH2が最近発表されました。
• ヒュンダイ-XNUMX年前に導入されたNexoプロトタイプ。
• BMWは、組立ラインからリリースされた水素水素7のプロトタイプです。 100部のバッチは実験段階のままでしたが、これはすでに何かです。

アメリカとヨーロッパの両方で購入できるストックカーの中には、それぞれトヨタとホンダのミライモデルとクラリティモデルがあります。 他の企業の場合、この開発はまだ図面バージョンであるか、機能していないプロトタイプとして行われています。

トヨタミライ

ホンダクラリティ

水素を動力源とする車の費用はいくらですか？

水素車のコストはまともです。 この理由は、燃料電池の電極を構成する貴金属（パラジウムまたはプラチナ）です。 また、現代の自動車には無数のセキュリティシステムと電気要素の動作の安定化が装備されており、これも材料資源を必要とします。

そのような車のメンテナンス（燃料電池が交換されるまで）は、最新世代の普通の車よりもはるかに高価ではありませんが。 水素の生産を後援している国もありますが、これを考慮しても、ガス11キログラムあたり平均XNUMXドルを支払う必要があります。 エンジンの種類にもよりますが、約XNUMXキロメートルの距離ではこれで十分です。

なぜ水素車は電気自動車よりも優れているのですか？

燃料電池を備えた水素プラントを利用する場合、そのような車は、私たちが道路で見慣れている電気自動車と同じになります。 唯一の違いは、電気自動車がネットワークまたはガソリンスタンドのターミナルから充電されることです。 水素輸送自体がそれ自体のために電気を生成します。

そのような車のコストに関しては、それらはより高価です。 たとえば、基本構成のTeslaモデルのコストは45ドルからです。 日本からの水素類似体は57千立方メートルで購入することができます。 一方、ババリア地方の人々は、50万ドルの価格で「グリーン」燃料で車を販売しています。

実用性を考えると、駐車場でXNUMX分（高速充電で、すべての種類のバッテリーで許可されているわけではありません）待つよりも、車にガスを充填する方が簡単です（約XNUMX分かかります）。 これは水素プラントのプラスです。

もうXNUMXつの利点は、燃料電池は特にメンテナンスの必要がなく、寿命が非常に長いことです。 電気自動車は、充放電サイクルが多いため、XNUMX年程度で交換が必要になります。 霜が降りると、電気自動車のバッテリーは夏よりもはるかに速く放電されます。 しかし、水素酸化反応の要素はこれに悩まされず、安定して発電します。

水素自動車の見通しはどのようなもので、いつ道路で見られるのでしょうか。

欧米では、水素車はすでに発見されています。 しかし、彼らはまだ好奇心のカテゴリーにあります。 そして今日、多くの見通しはありません。

このタイプの輸送がすぐにすべての国の道路を埋めることができない主な理由は、生産能力の不足です。 まず、水素生産を確立する必要があります。 さらに、環境への配慮に加えて、ほとんどのドライバーが燃料として利用できるレベルに到達する必要があります。 このガスの生産に加えて、その輸送を組織化する必要があり（これのために、メタンが輸送される高速道路を安全に使用できますが）、多くの充填ステーションに適切なターミナルを装備する必要があります。

第二に、各自動車メーカーは生産ラインを真剣に近代化する必要があり、これにはかなりの投資が必要です。 世界的な流行の発生による不安定な経済では、そのようなリスクを負う人はほとんどいません。

電気輸送の発展のペースを見ると、普及のプロセスは非常に迅速に行われました。 しかし、電気自動車の人気の理由は、燃料を節約する能力です。 そして、これはしばしばそれらが購入される最初の理由であり、環境を保護するためではありません。 水素の場合、その生産により多くのエネルギーが費やされるため、（少なくとも今は）お金を節約することはできません。

水素エンジンの長所と短所

それでは、要約しましょう。 水素燃料エンジンの利点には、次の要素が含まれます。

• 環境に優しい排出;
• パワーユニットのサイレント動作（電気牽引）;
• 燃料電池を使用する場合、頻繁なメンテナンスは必要ありません。
• 高速給油;
• 電気自動車と比較して、推進システムとエネルギー源は、氷点下の温度でもより安定して動作します。

開発は目新しさとは言えませんが、それでもなお、平均的な運転手が注意深くそれを見るように誘導する多くの欠点があります。 それらのいくつかを次に示します。

• 水素が発火するには、ガス状である必要があります。 これは特定の問題を引き起こします。 たとえば、軽いガスを圧縮するには、特別に高価なコンプレッサーが必要です。 燃料は非常に可燃性であるため、燃料の適切な保管と輸送にも問題があります。
• 車に取り付けるシリンダーは定期的にチェックする必要があります。 これを行うには、運転手は専門のセンターを訪問する必要があり、これは追加費用です。
• 水素車では、巨大なバッテリーは使用されませんが、設置はそれでもかなりの重量があり、車両の動的特性に大きな影響を与えます。
• 水素-わずかな火花で発火するので、そのような車が関係する事故は深刻な爆発を伴います。 一部のドライバーの自分の安全と他の道路利用者の生活に対する無責任な態度を考えると、そのような車両はまだ道路に解放されていません。

クリーンな環境での人類の利益を考慮に入れると、「グリーン」な輸送を完成させるという問題で突破口が開かれることが期待されます。 しかし、これが起こったとき、時間だけがわかります。

それまでの間、ToyotaMiraiのビデオレビューをご覧ください。

水素の未来？ トヨタ ミライ - 完全なレビューとスペック | ライブフィード®

質問と回答：

水素エンジンはなぜ危険なのですか？ 水素混合気の燃焼中、エンジンはガソリンの燃焼中よりも熱くなります。 その結果、ピストン、バルブの焼損、およびユニットの過負荷の可能性が高くなります。

水素自動車に燃料を補給する方法は？ このような車は、ガス状態（液化または圧縮ガス）の水素で燃料を供給されます。 燃料を貯蔵するために、それは350-700気圧に圧縮され、温度は-259度に達する可能性があります。

水素内燃エンジンはどのように機能しますか？ 車には一種のバッテリーが搭載されています。 酸素と水素は特別なプレートを通過します。 その結果、水蒸気と電気が放出される化学反応が起こります。