Водородный двигатель для автомобиля, устройство, принцип работы, как сделать своими руками

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom) . Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Читайте также:

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

• После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
• Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
• Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
• Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
• Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
• Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
• Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять H₂ в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

• Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
• Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на H₂, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H₂O для последующей реакции с O₂.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается H₂, а в катодную камеру — O₂. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

• НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.
• НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
• НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
• В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

• ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
• ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
• ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу H₂ — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
• ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

• Минимальный уровень шума;
• Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
• Большой запас хода;
• Низкий расход горючего;
• Простота обслуживания;
• Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

• СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ H₂ ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы H₂ быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного H₂ равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
• ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.
• НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения H₂ в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение H₂ невозможно.
• ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

• Опасность пожара или взрыва.
• Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
• Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
• Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения H₂ достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество H₂ приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный H₂ имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

• Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.
• Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
• Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
• «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2016 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
• Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.
• Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.
• Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.
• БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2020 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.
• В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2017 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.
• Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2019 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.
• Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2020 года.
• Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
• Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.
• Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе h3 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением H₂. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H₂ требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

• Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость H₂ приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
• При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
• При больших нагрузках и высокой температуре H₂ провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Будущее водородных двигателей

Применение H₂ открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена H₂, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

• ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).
• АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.
• АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Можно ли сделать своими руками?

Технология работы двигателя на газ известна давно, и многие концерны достигли успехов в вопросе внедрения водородных двигателей. Над совершенствованием классического ДВС задумались и народные умельцы.

Суть заключается в подаче в камеру сгорания специального газа. Такое устройство носит название системы Брауна. При этом бензин также подается в двигатель, но смешивается с газом, что обеспечивает лучшее горение.

В результате появляется водяной пар, очищающий клапана и поршни двигателя от нагара, улучшающий характеристики мотора и повышающий его ресурс.

Чтобы своими руками разложить воду на газ, требуется катализатор, дистиллят, электроды и электричество.

Конструкция собирается из подручных материалов. Допускается применение одной банки, но лучше использовать шесть.

После вырезаются пластинки и объединяются по принципу крест-накрест. Далее они обматываются проволокой и крепятся на крышке. Важно, чтобы электроды не замыкались между собой.

На последнем этапе банки заполняются электролитом и катализатором. Такая схема может работать на любом автомобиле.

Если же говорить о полноценном водородном двигателе, то в гаражных условиях сделать его конечно же не получится из-за сложности технологии.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

Содержание статьи

• История создания водородного двигателя
• Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС
  • Двигатель на водородных топливных элементах
• Водородный двигатель: дальнейшие перспективы
• Подведем итоги

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы  и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород  весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для  авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что нужно знать о двигателях Range Rover на вторичном рынке авто. Из этой статьи вы узнаете, какие нюансы и особенности касательно ДВС следует учитывать при покупке Рендж Ровер б/у, а также какой подержанный Рейндж Ровер лучше выбрать и с каким мотором.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Наука >
Топливные элементы

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 1 января 2023 г.

Около века назад количество автомобилей
на Земле исчислялись тысячами. Сегодня насчитывается около миллиарда автомобилей — примерно по одному на каждые семь человек на планете, и ожидаемое число
к 2040 году достигнет 2 миллиардов. Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции
только с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете
что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки
называют «нефтяным пиком», а в ближайшие десятилетия поставки бензина
(и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если
что произойдет, откуда все наши автомобили будут получать топливо?
Краткосрочное решение — повысить эффективность использования топлива.
из существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение
может заключаться в переводе транспортных средств с бензиновых и дизельных двигателей на электроэнергию от аккумуляторов и
электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде
газ, который никогда не иссякает. Бесшумные и не загрязняющие окружающую среду, они являются одними из
самых чистых и экологичных источников энергии, которые когда-либо были разработаны.
Они все, что они обещали быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus).
Фотография предоставлена ​​Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Содержание

1. Что такое топливные элементы?
2. Как топливный элемент производит электричество из водорода?
3. Блоки топливных элементов
4. Типы топливных элементов
5. Откуда возьмется весь водород?
6. Электролизеры и электролиз
7. Почему топливные элементы так долго не приживаются?
8. Узнать больше

Что такое топливные элементы?

На самом деле есть только два способа привести в действие современный автомобиль. Большинство автомобилей на
дороги сегодня используют двигатель внутреннего сгорания
сжигать топливо на нефтяной основе, вырабатывать тепло и толкать поршни вверх и
вниз, чтобы управлять коробкой передач и колесами. Электрический
автомобили работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они
полагаться на батареи, которые питают электричеством
электродвигатели, непосредственно приводящие в движение колеса. Гибридные автомобили имеют оба
двигатели внутреннего сгорания и электрические
двигателей и переключаться между ними в соответствии с условиями вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания
мощность двигателя и аккумулятора. Подобно двигателю внутреннего сгорания, они производят
мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением
газообразный водород, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя,
топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит
химически с кислородом из воздуха, чтобы сделать воду. В процессе,
что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и
это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять
транспортное средство. Единственным отработанным продуктом является вода, и она настолько чиста, что вы можете
выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо того
медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батареи),
топливные элементы работают на постоянной подаче водорода и продолжают производить
электричество, пока есть топливо в баке.

Фото: Топливо в баке — в багажнике автомобиля Ford на водородных топливных элементах.
Фото предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА.

Как топливный элемент производит электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим
реакция.
Это химическая реакция, потому что в ней соединяются два химических вещества.
вместе, но это также и электрическая реакция, потому что электричество
образуется по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, подобных элементам батареи. Это
имеет положительно заряженную клемму (показана красным цветом), отрицательно
заряженный терминал (синий) и
разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый)
держать их врозь. (Думайте обо всем этом как о бутерброде с ветчиной.
клеммы — это кусочки хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

1. Газообразный водород из бака (показан здесь в виде больших коричневых капель) подается по трубе к положительной клемме . Водород легко воспламеняется
   и взрывоопасен, поэтому танк должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) поступает по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительная клемма (красная) изготовлена ​​из платины, катализатора из драгоценного металла.
   предназначен для ускорения химии, которая происходит в топливном элементе. Когда атомы газообразного водорода достигают
   катализатора, они распадаются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные шарики). На случай, если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательной клемме (синий) и проходят через электролит.
   (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки.
   и только протоны могут пройти через него.
5. Тем временем электроны текут по внешней цепи.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), приводящий в движение колеса автомобиля. В конце концов, они также достигают отрицательной клеммы (синяя).
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в результате химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выбрасывается из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (другие люди говорят, что это означает полимерообменную мембрану или протонообменную мембрану, поскольку она включает обмен протонами через полимерную мембрану). Это будет держать
работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение
фактором является количество водорода в баке.

Рекламные ссылки

Блоки топливных элементов

Один топливный элемент производит столько же электроэнергии, сколько
одна сухая батарея — далеко не достаточно для питания портативного компьютера,
не говоря уже о машине. Вот почему топливные элементы, разработанные для транспортных средств, используют стеки.
топливных элементов, соединенных в серию. Суммарная электроэнергия, которую они
продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой
клетка производит.

Типы топливных элементов

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC)
в настоящее время
предпочитают инженеры для приведения в действие транспортных средств, но они ни в коем случае не
возможен только дизайн. Поскольку существует много видов батарей, каждый
с использованием различных химических реакций, поэтому существует много видов топлива
ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочной.
топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть
созданный альтернативной конструкцией, известной как твердый оксид
Топливный элемент
(ТОФК). Микробные топливные элементы обладают дополнительным
особенность: они используют
резервуар с бактериями для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива
и производить либо электрический ток (который можно использовать для питания
двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).
Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для расщепления воды на водород и кислород.
электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество подобных действий по сравнению с прямым использованием солнечной энергии состоит в том, что вы можете накапливать
водород в дневное время, когда светит солнце, а затем использовать его для вождения
топливный элемент ночью. )

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент. Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 Вт) энергии. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/National
Лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждый автомобиль
работать на жидкости, которую мы довольно ошибочно называем газом. Но в следующие 150
лет многие думают, что автомобили будут работать на настоящем газе:
водород. Теоретически заправлять автомобили водородом — отличная идея: это самый простой способ
и самый распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство
(примерно три четверти) всего вещества во Вселенной.
Тогда всего на всех! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе
вокруг вас, и вы не найдете много водорода — всего около одного
литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (в натуральном выражении,
это то же самое, что охотиться за двумя литрами воды наугад
перепутал в каждом олимпийском бассейне полный). Так откуда же возьмутся все огромные облака водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком?
Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода.
Разделив старый добрый h3O на части, вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты делаешь это? С электролизером!

Электролизеры и электролиз

Электролизер — часть электрохимического аппарата (нечто
который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для
провести электролиз: расщепление раствора на атомы, из которых он сделан, пропуская через него электричество. Электролиз был
Впервые в 18 веке британский химик сэр Хамфри Дэви
(1778–1829), который использовал примитивную батарею, называемую
Вольтов столб
открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химические вещества упакованы в герметичный контейнер с двумя
  электрические клеммы, погруженные в них. Когда вы подключаете
  клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакции внутри
  контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.
  (Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизер вы помещаете раствор в контейнер и опускаете два
  терминалы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому
  источник питания и пропускают электричество через раствор. Химическая
  происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если
  раствор, который вы используете, это чистая вода (h3O), вы обнаружите, что он быстро распадается
  на газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на
  положительный электрод). Их относительно легко собирать и хранить.
  газа для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергетики. Свет (от Солнца) попадает на солнечный элемент (синий прямоугольник слева),
изготовление электричества. Электролизер использует эту электрическую энергию для расщепления воды на кислород и водород.
(собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический
ящик справа), который производит электричество
и зажигает лампу (внизу). Фотографии Уоррена Гретца предоставлены Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит газообразный водород из воды:

1. Батарея соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через
   электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность
   значительно улучшается при использовании в качестве электролита твердой полимерной мембраны, позволяющей ионам проходить через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показана здесь как две красные капли, соединенные с одной зеленой) расщепляется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов, показаны красным) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показанные зеленым цветом).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательной клемме и рекомбинируют попарно с образованием газообразного водорода.
   (ч3).
4. Аналогичным образом отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительной клемме и рекомбинируют там попарно с образованием газообразного кислорода.
   (О2).

Почему топливные элементы так долго не приживаются?

» В течение десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: как только вы подумаете, что кол вбит в его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология восстает из могилы.»

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашают топливные элементы следующей большой силой
поставки с 1960-х годов, когда космический корабль «Аполлон»
ракеты первыми
показали, что технология практична. Четыре десятилетия спустя,
на наших улицах почти нет машин на топливных элементах — по разным причинам.
причины. Во-первых, мир готовится к производству бензиновых двигателей путем
миллион, так что они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое
надежный. Обычный автомобиль можно купить за несколько тысяч
долларов/фунтов, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах стоил бы вам сотни
тысячи. («Относительно доступный» Mirai от Toyota стал широко доступен в 2016 году.
по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибридного Prius.
Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг.
распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в начале 2023 года, автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно арендовать за относительно скромные 379 долларов.в месяц.)
Стоимость не единственная проблема. Там также массивный
нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи
везде, где можно обслуживать бензиновые автомобили и заправочные станции
повсюду, чтобы снабжать их топливом. Напротив, вряд ли кто
ничего не знает о машинах на топливных элементах и ​​заправок практически нет
станции подачи сжатого водорода. «Водородная экономика» — это далекая мечта.

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем такие насосы для заправки водородом станут обычным явлением.
Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Легко понять, как может работать мир, полный водородных автомобилей.
У нас было бы много заводов по производству электролизеров повсюду, производящих
газообразный водород из воды. Теперь газы занимают гораздо больше
пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород
газа в жидкий водород, что упрощает его транспортировку и хранение,
путем сжатия его до высокого давления. Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?)
где люди могли бы закачивать его в свои автомобили, которые будут работать на топливных элементах вместо обычных бензиновых двигателей.

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор работает
одним. Фотография Кейта Випке предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL) (номер фотографии NREL № 33995).

Проблема с водородом

Но видите ли вы проблему? Производство водорода путем электролиза требует энергии, и довольно много: мы должны использовать электричество, чтобы расщепить воду.
Если мы будем использовать обычные солнечные элементы для получения этого электричества, их эффективность может составлять около 10 процентов, в то время как эффективность электролизера может составлять 75 процентов, что дает мизерный общий КПД всего лишь
7,5 процента. Это довольно плохое начало — и это только начало!
[1]

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить достаточное количество его в своих баках, чтобы поехать куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии
водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы) равен
примерно в пять раз меньше бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко.
(при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелее бензинового, что может быть не так, потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии). Другая проблема заключается в том, что водород
трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно
крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку
водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И потом, конечно, все неэффективности на противоположном конце процесса, когда топливный элемент
автомобиль превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, приводящих в движение его колеса.

Водород не является топливом

» …водород — это разрекламированная подножка… Водород — это не чудесный источник энергии, это просто
энергоноситель, как аккумуляторная батарея. И это довольно неэффективная энергия
носитель, с целой кучей практических дефектов».0026

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто способом транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса.
Так что лучше сравнивать с аккумуляторами (еще один способ упаковки и транспортировки энергии)
чем к бензину (настоящему топливу). В общем, сегодняшние водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от аккумуляторов, и часто менее эффективны, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

На данный момент в мире относительно мало водорода для заправки автомобилей,
и практически весь он (около 95 процентов) производится из ископаемого топлива экологически небезопасным способом, поэтому его вряд ли можно назвать «зеленым».
[2]
По данным Международного энергетического агентства: «Спрос на водород, который вырос более чем в три раза с 1975 года, продолжает расти — почти полностью обеспечивается за счет ископаемого топлива, при этом 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идет на производство водорода. »
Есть много текущих исследований, чтобы изменить это, и есть
множество способов получения водорода из воды.
Мы могли бы, например, использовать солнечные элементы для «бесплатного» электролиза воды, но мы могли бы так же легко хранить ту же энергию в батареях и вместо этого использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумуляторными батареями действительно лучше, водород может оказаться дорогостоящим отвлекающим фактором от важного дела по переходу мира с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Суммируя все эти проблемы, можно объяснить, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с дурацкими элементами», которые «невероятно глупы».

Но у водорода есть и свои плюсы!

Так почему же люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, они имеют многочисленные преимущества перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где зарядка автомобиля с батарейным питанием может занять от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заполнить бензобак обычного автомобиля. Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь утверждают, что они могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и диапазон страдает, когда ваша батарея стареет. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют почти такой же запас хода, как и обычные автомобили, работающие на бензине, хотя их производительность ухудшается с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для более крупных транспортных средств и грузовиков.
Действительно, Ballard, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что вскоре топливные элементы станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы,
поезда и даже самолеты, которые в противном случае работали бы на грязном ископаемом топливе.
В Калифорнии в настоящее время предпринимаются огромные усилия, чтобы сделать водород более популярным.

Что угодно, кроме масла?

Таким образом, пока автопроизводители не прекратят выпуск бензиновых и дизельных двигателей,
у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов для перехода на автомобили на топливных элементах.
Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии
имеют огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.
Большинство из нас пока будут придерживаться двигателей внутреннего сгорания,
хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что электромобили — это будущее, заставит нас изменить свой образ жизни где-то в следующем десятилетии.
или так. Увидим ли мы прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами
ты дома заряжаешь? Или, возможно, более плавный переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями.
и электродвигатели, которые продлят мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас
придумать совершенно новую технологию — может быть, даже
автомобили с ядерными двигателями!
Никто не знает, что ждет нас в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть
будет играть в нем гораздо меньшую роль. Чем раньше мы обнимемся
альтернативы — аккумуляторные электромобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Узнайте больше

На этом сайте

• Биотопливо
• Автомобильные двигатели
• Электромобили
• Солнечные элементы

На других веб-сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, в том числе по тому, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какая экономия топлива вы можете ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• Калифорнийское партнерство по топливным элементам: отраслевое лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. Много хорошей справочной информации на сайте.
• Водородная экономика: всеобъемлющее введение Википедии в плюсы, минусы и практические вопросы, связанные с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвайне: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.
• Водород: факты и цифры о «водородной экономике» от Международного энергетического агентства.

Статьи

• Производители грузовиков столкнулись с технической дилеммой: аккумуляторы или водород? Джек Юинг, The New York Times, 11 апреля 2022 г. Является ли водород единственной надежной формой энергии для магистральных грузовиков?
• Исследователи предупреждают, что использование водородного топлива может привести к зависимости от ископаемого топлива. Дамиан Кэррингтон, The Guardian, 6 мая 2021 года. Исследователи утверждают, что водород следует зарезервировать для приложений, которые не могут быть достигнуты электрификацией.
• Не верьте водородной и ядерной рекламе — они не могут привести нас к нулевому выбросу углерода к 2050 г. Джонатон Порритт, The Guardian, 13 апреля 2021 г. Британский эколог утверждает, что быстрые экологические решения не складываются.
• Технология преобразования солнечной энергии в водород видит «выдающийся» скачок эффективности Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 9 апреля 2021 г. Может ли новый способ получения водорода с помощью солнечного света сделать топливные элементы более жизнеспособными?
• Калифорния пытается запустить водородную экономику, Иван Пенн и Клиффорд Краусс, The New York Times, 11 ноября 2020 г.
• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в «электростанции» без выбросов Джиллиан Амброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 г. Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные генераторы электроэнергии.
• Первые автомобили на водороде. Теперь «Заправочные станции» Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 г. Если великая водородная экономика когда-нибудь начнет развиваться, нам понадобится гораздо больше водородных станций.
• Битва за автомобили с нулевым уровнем выбросов: водород или электричество? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 г. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения запаса хода электромобилей.
• Автомобили на водородных топливных элементах возвращаются в очередной заезд, Лоуренс Ульрих. The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
• Энергетическое наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как можно использовать топливные элементы для получения домашнего электричества.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать небольшие бытовые приборы, а также автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономика

• Топливные элементы и производство водорода Тимоти Э. Липман и Адам Вебер (редакторы). Springer, 2019. Краткий обзор современных исследований топливных элементов.
• Водород и топливные элементы: новые технологии и приложения, Бент Соренсен и Джузеппе Спаззафумо. Academic Press, 2018. Обширный 522-страничный справочник по топливным элементам и их многочисленным применениям.
• Лучший транспорт и автомобили на водороде — увеличьте скорость: профессор физики из Кембриджа Дэвид Маккей не верил, что будущее за автомобилями на водороде. Его точка зрения заключалась в том, что водород является «неэффективным энергоносителем» (поскольку для производства водородного топлива требуется так много энергии) с «целой кучей практических недостатков» (поскольку водород очень трудно легко хранить и безопасно транспортировать).
• Водородная экономика: возможности и проблемы Майкла Болла и Мартина Витшеля. Издательство Кембриджского университета, 2009 г. Будут ли водородные автомобили перспективой? Какие препятствия нам нужно преодолеть в первую очередь?
• Водородная экономика Джереми Рифкин. JP Tarcher/Penguin, 2003. Более общий путеводитель по миру, наполненному водородными автомобилями на топливных элементах.

Электролизеры и ионный обмен

• Ионообменные мембраны: основы и применение Йошинобу Танака.
  Elsevier, 2007. Подробный выпускной курс, охватывающий все аспекты технологии ионообменных мембран, включая ее применение в электролизёрах.
• Моделирование и управление топливными элементами: приложения распределенной генерации
  Мохаммад Хашем Нехрир и Кайшэн Ван. Wiley-IEEE, 2009.

Патенты

• Патент США 7,241,950: Электролиз воды в солнечных элементах для получения водорода и кислорода, Qinbai Fan et al, Институт газовых технологий, 10 июля 2007 г. Передовой, высокоэффективный электролизер, работающий от солнечной энергии.
• Патент США 1,495,681: Электролизер для производства водорода и кислорода Джакомо Фаузера, 27, 19 мая.24. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Задания

• [PDF] Упражнение NASA Fuel Cell: Отличное небольшое задание для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​питать его водородом, полученным путем расщепления воды.

Примечания и ссылки

1. ↑   Я подробно обсуждаю эффективность в своей статье о
   солнечные батареи; 10 процентов кажутся разумной, консервативной цифрой для типичной ячейки первого поколения.
   Марк З. Джейкобсон указывает эффективность электролизера в 73,8 балла.
   100% чистая, возобновляемая энергия и хранение всего, стр. 256.
2. ↑   Цифры разнятся, но 95%
   общепризнанная цифра, согласно
   Объяснитель: Hydrogen, Климатический портал Массачусетского технологического института, июнь 2021 г.

.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2008/2023) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Бибтекс

@misc{woodford_2FA,
автор = «Вудфорд, Крис»,
title = «Топливные элементы»,
publisher = «Объясните это»,
год = «2008»,
url = «https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html»,
URL-адрес = «2023-01-01»
}

Больше информации на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей (Технический отчет)

Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другие родственные исследования

Основная цель проекта заключается в разработке усовершенствованных и недорогих модификаций небольших (< 25 л. с.) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водородном топливе с сохранением той же производительности и долговечности. В этом заключительном техническом отчете обобщаются результаты i) деталей переоборудования нескольких небольших бензиновых двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде, ii) испытания на долговечность переоборудованного водородного двигателя и iii) демонстрации прототипа системы хранения твердого водорода с канистрами в комплекте. Пиковая мощность водородного двигателя достигает 60% мощности бензинового аналога. Попытки увеличить мощность двигателя с помощью различных опций, включая установку увеличенного турбокомпрессора, модернизацию заказных поршней с высокой степенью сжатия, усовершенствованную систему зажигания и различные типы систем впрыска топлива, не реализованы. Преобразованный двигатель Honda GC160 с системой ACS для работы на водородном топливе прошел успешно. Общее накопительное время работы составляет 785 часов. Разработан, изготовлен и продемонстрирован прототип системы хранения твердого водорода с канистрой в комплекте номинальной емкостью 1,2 кг. Он способен поддерживать широкий диапазон выходной нагрузки водородного генератора.

Авторов:

Сапру, Кришна;

Тан, Чжаошэн;

Чао, Бен

Дата публикации:

30.09.2010

Исследовательская организация:

Energy Conversion Devices Incorporated

Организация-спонсор:

USDOE

Идентификатор ОСТИ:

1008335

Номер контракта Министерства энергетики:  

ФК26-06НТ43026

Тип ресурса:

Технический отчет

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс


Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка перспективных малых водородных двигателей . США: Н. П., 2010.
Веб. дои: 10.2172/1008335.

Копировать в буфер обмена


Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335

Копировать в буфер обмена


Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. 2010.
«Разработка перспективных малых водородных двигателей». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335. https://www.osti.gov/servlets/purl/1008335.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_1008335,
title = {Разработка передовых малых водородных двигателей},
автор = {Сапру, Кришна и Тан, Чжаошэн и Чао, Бен},
abstractNote = {Основной целью проекта является разработка передовых и недорогих модификаций небольших (< 25 л. с.) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водородном топливе при сохранении той же производительности и долговечности. В этом заключительном техническом отчете обобщаются результаты i) деталей переоборудования нескольких небольших бензиновых двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде, ii) испытания на долговечность переоборудованного водородного двигателя и iii) демонстрации прототипа системы хранения твердого водорода с канистрами в комплекте. Пиковая мощность водородного двигателя достигает 60% мощности бензинового аналога. Попытки увеличить мощность двигателя с помощью различных опций, включая установку увеличенного турбокомпрессора, модернизацию заказных поршней с высокой степенью сжатия, усовершенствованную систему зажигания и различные типы систем впрыска топлива, не реализованы. Преобразованный двигатель Honda GC160 с системой ACS для работы на водородном топливе прошел успешно. Общее накопительное время работы составляет 785 часов. Разработан, изготовлен и продемонстрирован прототип системы хранения твердого водорода с канистрой в комплекте номинальной емкостью 1,2 кг.