未来燃料系列报道（四）：氢动力技术的崛起

【第一工程机械网 编译】近日，外媒Equipment World推出了《未来燃料》的系列报道，旨在讨论全球范围内的建筑设备和制造商正在经历的柴油燃料替代品演变过程，包括混合动力、电池动力、燃料电池，以及氢气内燃机和氢燃料电池技术。以下为系列报道的第四篇。

虽然目前有许多可用或正在开发的、用于减少重型设备二氧化碳排放量的技术，但没有什么燃料比氢气更接近“净零”排放了。从各方面来看，它将成为未来的燃料，即使它直到本世纪中叶才被广泛采用。

氢燃料电池系统 

眼下已经有两种不同的氢推进技术出现，它们具有两个截然不同的发展路径：

第一个是氢内燃机，它的技术原理是将压缩氢气通过燃料管路输送到内燃机的气缸中，通过火花塞点燃气缸中的气体，为传统的传动系统提供动力。

另一个是氢燃料电池，它由两个电极组成——一个负极，一个正极——夹在电解质周围。氢气被送入负极端子，空气被送入正极，产生化学反应，为驱动电动机的电池提供连续的电流。

无论使用哪种技术，只要机器或车辆中有氢气，它们产生的尾气排放就可以忽略不计，没有二氧化碳，只有少量的水蒸气。

氢气竟然有这么多种颜色！

眼下氢动力发展面临一个关键问题，那就是制氢的途径并不一定是“净零”的。当今最常见的制氢方法是天然气的蒸汽还原产生的，也即使用甲烷作为基础原料，通过蒸气甲烷重整（Steam Methance Reforming，SMR）使甲烷吸热转化为H2和CO。这是制造氢气的最便宜的方法，占氢气市场的96%，其中大部分供给农业和半导体行业。

氢气的颜色区分（来源：能源100）

业内用颜色区分不同的制氢方式，以及对环境的影响。黑色、灰色或棕色氢是来自化石燃料；蓝色氢也来自化石燃料，但它是使用碳捕获技术来减少二氧化碳排放。绿色氢则是用电解水制氢，它被誉为环保主义者最向往的圣杯。

康明斯Fridley电解水制氢设备工厂

电解水制氢，是将水中的氢气与氧气分离，这种制氢方式被寄予厚望，因为这种方式不使用化石燃料，还可以用再生能源，如太阳能或风能，来提供源源不断的清洁电力。事实上，核电也可以提供制造氢气所需的电力，但是，后者将受到部分区域政策限制，不能被广泛推广应用。

JCB氢内燃机挖掘装载机

氢内燃机与氢燃料电池

长期以来，JCB一直看好氢动力设备的发展前景，并持续探索氢内燃机和氢燃料电池。“我们研究了许多不同的燃料，发现氢气更具潜力。”JCB首席创新和发展官Tim Burnhope说。

其中一个推动因素是氢燃料电池动力设备在城区作业非常实用，JCB已经有7台氢动力设备正在运行，它们的工地距离充电基础设施比较近。如果是一些远离电网（氢气充电站）的采石场等施工作业就没有那么幸运了，那里的设备承包商将需要投入更多的设施才行。

JCB于2020年5月发布首台氢燃料电池挖掘机220X，当时这台挖机已经在采石场进行了12个月的测试和评估，因此，JCB也给行业带来了一些实际工况的使用数据。

“氢燃料电池在瞬态响应方面有点迟钝。”Burnhope说，“他们需要复杂的电子设备来管理燃料电池和电机之间的电源，还需要去离子水和大容量的冷却装置，并且对灰尘和振动很敏感。”因此，在JCB看来，氢燃料电池对于目前的非道路机械工况来说过于复杂和昂贵。

现代工程机械推出的氢动力轮式挖掘机

尽管如此，几乎所有OEM制造商都在继续试验和探索氢燃料电池技术，特别是对于电池电机容量需求更大的大型设备和卡车。最近，三一推出了自卸车和搅拌车的概念机。沃尔沃建筑设备正在测试一款铰接式卡车。康明斯正在进行多款应用于道路和非道路机械的氢动力电池。现代工程机械在bauma 2022上首次推出了氢燃料电池驱动的HW155H概念挖掘机。

也许第一个商用氢燃料电池——Generac的EODev GEH2，该款发电机的静态特性表现突出——可以解决非道路设备应用过程中的部分难题，比如振动、污染和其他挑战。据悉，这款氢燃料电池已于从2022年第二季度开始由联合租赁进行销售。

氢内燃机技术发展迅猛

虽然大部分氢燃料电池技术仍在测试中，但氢内燃机提供与氢燃料电池几乎相同的环境效益，并且它的商业可行性更高，生产成本更低。氢内燃机保留了柴油发动机的基本结构——气缸、凸轮轴、缸体和曲轴——其顶端使用火花点火和燃油喷射。

在JCB，氢内燃机的研发已经进行了数十年，工程师们从无到有，构建自己的专用氢内燃机。目前，这些氢内燃机已经在JCB挖掘装载机和伸缩臂叉装车上得到应用，并于2021年5月首次亮相。

JCB氢内燃机

“我们想出了一种全新的燃烧工艺，可以在超低压力和温度下工作，并且尾气非常清洁，简直难以置信。”Burnhope说，“我们有很棒的涡轮增压器，为发动机提供大量的空气。氢气可以产生更多的能量，我们可以最大限度地利用空气，同时最大限度地减少气瓶中的氢气。”

“除了活塞之外，气缸盖下方的所有部件都与我们的柴油发动机相同。”Burnhope说，“因此，我们70%的零部件和供应链都是现成的。”

低碳燃料内燃机或是通向未来的桥梁

康明斯非公路总监杰里米·卡森（Jeremy Carson）认为氢燃烧内燃机是柴油机的实际过渡。事实上，2022年康明斯已经公布其最新的燃料不限定（Fuel-Agnostic）平台，该平台可以兼容氢气、天然气、甲烷和其他生物燃料等。

康明斯将这些最新的燃料不限定（Fuel-Agnostic）——低碳燃料内燃机视为电池动力设备和燃料电池动力的过渡技术。Jeremy Carson还乐观地认为，氢内燃机将在近十年内会有不错的发展。因为这种新型“燃料不限定”发动机的前期成本将远低于全电动或燃料电池的研发，从而降低了进入门槛；同时，它使得OEM制造商的氢动力切换更加顺畅，也为氢基础设施的建设赢得时间。

利勃海尔氢内燃机

氢动力技术面临的挑战和机遇

两种类型的氢燃料技术面临的巨大挑战是氢燃料基础设施的发展缓慢。在工业渠道之外，氢燃料并不广泛可用。

“OEM制造商还必须弄清楚在他们的机器上放置储氢罐的位置，因为它比液体燃料更笨重。例如，轮式装载机没有太多的空间来放这个储氢罐，挖掘机和一些有大配重的机器应该会有足够的空间。”Burnhope说，“对于发电机、龙门起重机和灯塔等使用固定式发动机的设备，储氢罐的摆放将不是问题。”

为氢动力设备加油（氢）

它的优点还有加“氢”时间更短、更便捷。Burnhope指出，为设备加氢气比充电要快得多。氢气只需几分钟即可加满，而为设备充电可能需要2~8小时才能充满。

Burnhope说，氢气可以像柴油一样输送到工地，即便临时需要加氢，完全可以在午餐时间或轮班结束时进行，几分钟即可轻松搞定。

另外，氢气更干净、更绿色。让像Burnhope这样的工程师感到兴奋的是，与化石燃料相比，氢燃料的“清洁无污染”特点表现得淋漓尽致：“不仅是排气管十分干净，量油尺也是有力的证明，工作100小时后观察它，机油依然明亮干净；如果你拆下这些引擎，你更会发现它们就跟崭新的发动机一样干净。”Burnhope说。

（资料来源：Equipment World）

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责任编辑：Tracy Wang