科目：
- 水素
- 水素の製造
- オットーエンジンの燃料としての水素
- 燃料電池
- 貯蔵タンク
- 水素の範囲とコスト
水素：
水素（英語では水素と呼ばれます）は、車両に動力を供給するためのエネルギーキャリアとして使用できます。 エネルギーキャリアとは、水素にあらかじめエネルギーが入れられていることを意味します。 これは、石油、天然ガス、石炭などの（化石）エネルギー源とは対照的であり、これらの物質を燃やして処理することでエネルギーが得られます。
したがって、水素は、ガソリンエンジンのエネルギーキャリアとしてではなく、純粋に燃焼室を冷却するために使用される水噴射とはまったく異なるものです。
目標は、水素による「ゼロエミッション」を達成することです。 使用中に有害なガスを発生しないエネルギー形態。 化石燃料から水素と燃料電池を組み合わせた電気推進への移行は、以下に該当します。 エネルギー遷移。 車両に水素を供給するには、次の XNUMX つの異なる方法があります。
- オットーエンジンの燃料として水素を使用。 水素はガソリン燃料に代わるものです。
- 燃料電池で水素を使用して電気エネルギーを生成します。 この電気エネルギーを使用して、電気モーターは車両を完全に電気的に駆動します。
このページでは両方のテクニックについて説明します。
水素は、持続可能なエネルギーを使用して、または化石燃料に基づいて生成できます。 化石燃料は将来的に枯渇するため、後者はできる限り阻止しようと努めています。 CO2は化石燃料を処理する際にも発生します。
以下の列は、バッテリー、水素、ガソリンのエネルギー量を示しています。 たくさんあることがわかります
バッテリー：
- エネルギー含有量: 220Wh/kg、360Wh/l
- 非常に効率的
- ショートストレージ
- 直接エネルギー放出が可能
- 交通手段が複雑
水素 (700 バール):
- エネルギー量: 125.000 kJ/kg、34,72 kWh/kg
- 30% 熱、70% H2 (PEM 燃料電池)
- 長期保管可能
- 変換が必要です
- 交通に優しい
ガソリン：
- エネルギー値: 43.000 kJ/kg、11,94 kWh/kh
- 最大 33% の還元
- 長期保管可能
- 変換必要（燃焼）
- 交通に優しい
水素は私たちの身の回りにありますが、決して無料ではありません。 それは常に束縛されています。 私たちはそれを生産し、隔離し、保管するつもりです。
- 純粋な水素 (H1) ガス 2 kg = 大気圧で 11.200 リットル
- H2 は他のどの分子よりも小さい
- H2 は他のどの分子よりも軽い
- H2 は常につながりを探しています
このページでは、乗用車での水素の製造と利用に加えて、その貯蔵と輸送についても説明します (ページの下部)。
水素の製造:
水素は、天然ガスのように地中から抽出されないガスです。 水素を生成する必要があります。 これは、とりわけ、水を水素と酸素に変換するプロセスである電気分解を通じて行われます。 これは、燃料電池で起こる反応の逆です。 さらに、水素は環境にあまり優しいプロセスでは得られない可能性があります。 以下のデータは、2021 年に水素がどのように製造されるかを示しています。
- 石炭: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (温度: 1300C-1500C)
- 天然ガス: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (必要温度: 700C-1100C)
- オイル: CxHyNzOaSb + …。 -> cH2 + 非常に多くの副産物
- 水からの電気分解: 2H2O -> 2H2 + O2
水からの電気分解は非常にクリーンで、最も環境に優しい水素製造方法です。 CO2 を放出する化石燃料の処理とは異なり、これにより水素と酸素が放出されます。
- 水の電気分解。 電気分解は、水分子を分解して純粋な水素と酸素を生成する化学反応です。 水素は水と電気があればどこでも作ることができます。 欠点は、水素を製造し、それを再び電気に変えるために電気が必要なことです。 このプロセス中に最大 50% が失われます。 利点は、エネルギーが水素に保存されることです。
- 化石燃料の変換。 石油とガスには、炭素と水素から構成される炭化水素分子が含まれています。 水素は、いわゆる燃料処理装置を使用して炭素から分離できます。 欠点は、炭素が二酸化炭素として空気中に消えてしまうことです。
化石燃料から得られる水素は灰色水素と呼ばれます。 これにより、NOx と CO2 が大気中に放出されます。
2020 年以降、生産はますます「ブルー」になり、CO2 が回収されます。
目標は、2030 年までにグリーン水素のみを生産することです。グリーン電力と水は、生成される最も環境に優しい水素の供給源となります。
化学の世界では、水素は H2 と呼ばれます。これは、水素分子が 2 つの水素原子で構成されていることを意味します。 H2は自然界には存在しない気体です。 H20 分子はあらゆる種類の物質の中に存在しますが、最もよく知られているのは水 (HXNUMX) です。 水素は、例えば水分子から水素分子を分離することによって得られなければなりません。
したがって、電気分解による水素の製造は未来です。
次の図は、化学の授業でよく使用されるモデルを示しています。
- バッテリーのプラスとマイナスのバーが水中にぶら下がっています。
- アノード側では酸素が得られます。
- カソード側では水素が得られます。
この場合、メタン (CH4) などの化石燃料から生成された水素は、改質によって H2 と CO2 に変換されます。 CO2 は分離され、地下、たとえば空の天然ガス田に貯蔵できます。 したがって、天然ガスの使用は大気中への CO2 排出にほとんど、またはまったく寄与しません。 水素はバイオマスからも作ることができます。 この過程で排出されるCO2も分離して地中に貯留すれば、CO2排出量をマイナスにすることも可能です。 大気から CO2 を除去し、この CO2 を地球上に貯蔵します。
水素は、石油、天然ガス、石炭などの化石燃料とは異なり、エネルギー源ではなく、エネルギー運搬体です。 これは、例えば自動車の燃料として水素を使用するときに放出されるエネルギーを最初に投入する必要があることを意味します。 電気分解により水素を製造するには電気が必要です。 この水素の持続可能性は、使用される電力の持続可能性に大きく依存します。
オットーエンジンの燃料としての水素:
オットーエンジンとはガソリンエンジンの別名です。 ガソリンエンジンは1876年にニコラウス・オットーによって発明されました。 この場合、ガソリンが別の燃料、つまり水素に置き換えられるため、これをオットーエンジンと呼びます。 水素が噴射されるエンジンには、ガソリンの燃料タンクは存在しません。
水素が燃焼すると、従来のオットーエンジンやディーゼルエンジンとは異なり、CO2ガスは生成されず、水のみが生成されます。 水素を直接噴射すると、ガソリン燃料に比べて15～17％出力が向上します。 水素を入口バルブに注入（間接注入）すると、空気を通して急速加熱が起こります。 空気も水素によって置き換えられます。 どちらの場合も、燃焼室に流入する酸素 (O2) が少なくなります。 最悪の場合、最大 50% の電力損失が発生します。
空気と水素の比率は、たとえば空気とガソリンの混合物ほど正確ではありません。 したがって、燃焼室の形状はそれほど重要ではありません。
水素は XNUMX つの方法で注入できます。
– 液体：水素を液体で供給すると、蒸発により燃焼温度が相対的に低下するため、NOx の生成が少なくなります。
– 気体: 水素が液体の状態でタンクに保管され、周囲温度で燃焼スペースに流入する場合、水素を液体から気体の状態に変換するために蒸発器を使用する必要があります。 その場合、エバポレーターはエンジン冷却水によって加熱されます。 NOx を削減するために考えられる対策は次のとおりです。 申請中 EGR, 水注入 またはそれより低いもの 圧縮率.
下の画像は、XNUMX つの異なるバージョンの水素注入による XNUMX つの状況を示しています。 左から XNUMX 番目の画像では、ガス状の水素がインテークマニホールドに間接的に噴射されます。 ガス状の水素は周囲温度によって加熱されます。 水素はスペースも占めるため、シリンダー内に流入する酸素の量が減ります。 これは最も電力損失が発生する状況です。
XNUMX 番目の画像では、水素が液体の状態で供給されます。 極低温とは、水素が非常に冷却されていることを意味します（比較的小さな貯蔵タンクに液体の状態で大量の水素を貯蔵する方法）。 水素は温度が低く、液体状態にあるため、シリンダーへの充填がより効果的に行われます。 低温のため、直接（水素）噴射のエンジンとほぼ同等の効率が達成されます。 直噴エンジンはXNUMX枚目の画像で確認できます。 燃焼空間全体が酸素で満たされます。 吸気バルブが閉じ、ピストンが空気を圧縮すると、インジェクターから一定量の水素が噴射されます。 このエンジンの点火プラグはインジェクターの後ろまたは隣にあります (画像には表示されていません)。
オットー エンジンの効率はもちろん 100% ではありませんが、この画像では水素の燃焼効率をガソリンの燃焼効率と比較しています。
水素は単位質量あたりのエネルギー密度が高く（120MJ/kg）、ガソリンのほぼ4倍です。 水素の優れた着火特性により、ラムダ値が 5 ～ XNUMX の非常に希薄なエンジンの運転が可能になります。希薄混合気を使用することの欠点は、出力が低下し、運転特性が低下することです。 これを補うために過給（ターボ）がよく使われます。
ガソリン燃料に比べて着火面積が大きいため、爆発や逆火の危険性が高くなります。 したがって、燃料供給と点火を適切に制御することが非常に重要です。 全負荷では、燃焼室内の温度が非常に高くなることがあります。 よくあります 水注入 これは十分な冷却を確保し、早期発火（爆発や逆火の形で）を防ぐために必要です。
燃料電池：
前のセクションでは、水素が内燃機関の燃料としてどのように機能するかを説明しました。 水素の別の用途は燃料電池です。 燃料電池を搭載した車両には内燃機関はありませんが、XNUMX つ以上の電気モーターが搭載されています。 電気モーターを動作させるための電気エネルギーは燃料電池によって生成されます。 燃料電池は、熱的または機械的損失を生じることなく、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学装置です。 したがって、燃料電池でのエネルギー変換は非常に効率的です。 燃料電池は通常水素で動作しますが、メタノールなどの燃料も使用できます。
燃料電池は、どちらも化学プロセスを通じて電気を生成するため、原理的にはバッテリーと比較できます。 違いは、バッテリーに蓄えられたエネルギーが一度放出されることです。 時間が経つとエネルギーがなくなるため、バッテリーを充電する必要があります。 燃料電池は、反応物が電気化学電池に供給されている限り、継続的にエネルギーを供給します。 反応物は、化学反応において互いに反応する化学物質です。
燃料電池では、水素と酸素が H+ イオンと OH- イオン (荷電粒子) に変換されます。 イオンは、燃料電池の別々のチャンバー内の膜によって分離されます。 燃料電池には、触媒が塗布された XNUMX つの多孔質炭素電極が含まれています。 水素 (H) の場合は負極 (アノード)、酸素 (O) の場合は正極 (カソード) になります。
H+ イオンと OH- イオンは電極 (アノードとカソード) を介して互いに導かれ、その後 + イオンと – イオンが反応します。 カソードは、電子とプロトンが酸素と反応して最終生成物 2、つまり水を形成する反応を触媒します。 H+ イオンと OH- イオンは一緒になって HXNUMXO 分子を形成します。 この分子は電荷が中性であるためイオンではありません。 プラス粒子とマイナス粒子を合わせると中性の粒子になります。
水素 (H) の酸化はアノードで起こります。 酸化は、分子が電子を与えるプロセスです。 アノードは触媒として機能し、水素をプロトンと電子に分割します。
酸素（O）を加えると陰極で還元が起こります。 アノードによって密閉された電子は、外側の電子を接続する電線を介してカソードに移動します。
電子を直接伝達するのではなく、外部ルート（電流線）を介して、このエネルギーの大部分が電気エネルギーとして放出されます。 この回路は、還元剤と酸化剤の間の接続電解液中のイオンによって閉じられます。
電子を吸収する粒子は酸化剤と呼ばれ、還元されます。 還元剤は電子を失い酸化します。 還元とは、粒子が電子を吸収するプロセスです。 酸化と還元は常に同時に起こります。 放出および吸収される電子の数は常に同じです。
負極では次の反応が起こります。
正極では異なる反応が起こります。
下の画像は、トヨタの燃料電池スタックの底面図を示しています。 この燃料電池スタックは車のボンネットの下にあります。 電気モーターはこのスタックに取り付けられています。 電気モーターはトランスミッションに動力を供給し、トランスミッションはドライブシャフトに接続され、駆動力を車輪に伝達します。
スタックの上部にいくつかのエアチューブが見えます。 これには、電気モーターが必要とする電力に応じて燃料電池に空気を送り込むエアポンプが含まれます。
この燃料電池スタックには、370 個の燃料電池が搭載されています。 各燃料電池は 1 ボルトを供給するため、合計 370 ボルトを電気モーターに供給できます。 燃料電池はすべて互いの下に配置されています。 赤丸は拡大図で、燃料電池の積層がはっきりとわかります。
貯蔵タンク：
水素は単位質量あたりのエネルギー密度が高く (120MJ/kg)、ガソリンのほぼ XNUMX 倍ですが、比質量が低いため単位体積あたりのエネルギー密度は非常に低くなります。 これは、管理可能な容量の貯蔵タンクを使用できるようにするために、水素を加圧下または液体の状態で貯蔵する必要があることを意味します。 車両用途には XNUMX つのバリエーションがあります。
- 350 または 700 bar でのガス貯蔵。 350 bar では、エネルギー含有量の点でタンク容積はガソリンの場合の 10 倍になります。
- -253 度の温度で液体を保管 (極低温保管)。エネルギー含有量の点でタンク容積はガソリンの 4 倍になります。 気体貯蔵では、燃料の損失や品質の低下を招くことなく、水素を無期限に貯蔵できます。 一方、極低温保管では蒸気が生成されます。 加熱によりタンク内の圧力が上昇するため、水素は圧力リリーフバルブを通って逃げます。 XNUMX 日あたり約 XNUMX% の漏れは許容されます。 代替ストレージのオプションはまだ研究段階にあります。
下の画像は、車両の下にある 700 つの貯蔵タンクを示しています。 これらは、水素が 40 bar の圧力下で気体の状態で貯蔵される貯蔵タンクです。 これらの貯蔵タンクの壁厚は約 4 ミリメートル (XNUMX センチメートル) で、高圧に耐えられます。
以下では、水素タンクがどのように車の下に取り付けられているかをもう一度見ることができます。 プラスチック チューブは、燃料電池の変換中に生成される水の排出口です。
水素の充填:
この記事の執筆時点では、オランダには水素充填ステーションが 350 か所しかありません。 これらのガソリン スタンドの 700 つはルーン (南オランダ) にあります。 画像は燃料補給に使用する充填ノズルを示しています。 充填時の使用圧力は商用車の場合は XNUMX bar、乗用車の場合は XNUMX bar です。
車内の給油接続部は、通常の燃料フラップの後ろにあります。 充填ピストルはこの充填接続部に接続されます。 充填ノズルを接続すると接続がロックされます。 車の貯蔵タンクには、700バールの圧力下でガス状の水素が充填されます。
水素の範囲とコスト
例として、トヨタ ミライ (2021 年モデル) を取り上げ、範囲と追加コストを見てみましょう。
- 航続距離650km。
- 消費量: 0,84 kg / 100 km。
- 0,09 km あたりの燃料価格: 13 ～ XNUMX セント。
- 道路税 €0,-
ディーゼルエンジン搭載車と比較すると、燃料電池車は決して安くはありません。 道路税のコストが大きな役割を果たしていますが、オランダのガソリンスタンドの数は2021年でもまだ不足しています。 以下は、100 km あたりのコストと現在の燃料価格の比較です。
BMW 320d (2012)
- ディーゼル: 1,30 リットルあたり XNUMX ユーロ。
- 消費量: 5,8 リットル/100 km。
- 100kmの料金：7,54ユーロ。
トヨタ ミライ (2020):
- 水素：10kgあたりXNUMXユーロ。
- 消費量: 0,84 kg/100km;
- 100kmの料金: €8,40
