Автомобильный водородный двигатель: что это, как работает, схема, фото, безопасность,

что это, как работает, схема, фото, безопасность,

Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду с электрокарами. Заправка авто на водородном топливе занимает считанные минуты, а «горючего» хватит на 400 км и более. А баллон водорода после использования оставляет после себя полведра чистой воды.

Почему же автомобильные концерны неохотно переходят на этот альтернативный источник энергии? Вопрос в стоимости и производстве этого газа.

В автомобилях с водородным двигателем применяются специальные топливные ячейки. Называются такие авто FCEV, что расшифровывается как Fuel Cell Electric Vehicles — электрокары с топливным элементом вместе батареи. Самая известная модель – это Toyota Mirai. А вообще многие модели есть только в виде концепта, серийно пока выпускается немного экземпляров.

В статье расскажу что это такое — водородный автомобиль, принцип работы и устройство, что такое водородный двигатель, плюсы и минусы авто на водороде, список моделей, ждёт ли будущее эта технология. Обещаю, будет интересно!

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.

Риваз и его машина

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.

Фото GM Electrovan

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Что такое водородное топливо?

Водородное топливо поставляется на заправки в газообразном или жидком состоянии. Водород в этом виде уменьшается в объёме более чем в 800 раз. Примерное время одной заправки составляет не более 3-5 минут. Для сравнения – заправка бензином занимает примерно то же самое время.

На чём ездит водородный автомобиль? На водороде – экологически чистом источнике энергии.

Водород для топлива добывают следующими способами:

1. Электролиз воды. Это выделение водорода из воды с помощью электричества. Такой метод применяется в тех регионах, где стоимость электроэнергии дешёвая, в том числе и в России. Чистота выхода водорода при помощи электролиза – около 100%! Но здесь присутствует повышенное загрязнение окружающей среды. Предсказывают, что когда-нибудь будут созданы множество солнечных и ветряных электростанций, которые будут производить топливо без отрицательного воздействия на окружающую среду.
2. Паровая конверсия метана. Этот природный газ нагревают до температуры 1000 градусов по Цельсию и смешивают с катализатором. Этот метод будет работать до тех пор, пока метан не закончатся в недрах земли. Реформированный водород – самый популярный и дешёвый метод создания.
3. Газификация биомассы. Это извлечение водорода в реакторе из отходов животных и сельского хозяйства, а также сточных вод. Сейчас существуют огромные территории с биомассой, потенциал которой не оценён и тратится впустую.

В чём преимущество этого альтернативного источника энергии?

• Топливные элементы не выделяют вредных выбросов.
• Огромный потенциал и возможные прибыли.
• Моментальная заправка автомобилей (3 минуты).
• Топливные ячейки на 80% эффективнее бензина, а также дёшево стоят.

Автомобиль на водороде не оставляет так называемого «углеродного следа», который загрязняет окружающую среду. Например, Toyota Mirai за 100 км пробега выделяет 5 л воды и больше ничего, никаких выбросов в атмосферу. Но, к сожалению, на Земле слишком не существует месторождений чистого водорода, а вот нефти и газа – хоть отбавляй. Зато водорода полным-полно в атмосфере, но в виде соединений, которые надо разрушить, чтобы извлечь желанный элемент. А для этого надо затратить немалую энергию, по сравнению с той, которую мы получим при прямом расходовании водорода.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.

Недостатки водородного топлива:

• Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
• Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
• Высокая стоимость автомобиля.
• Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
• Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
• Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.

Плюсы водородного топлива:

• Нет вредных выбросов в атмосферу.
• Водородные двигатели практически не шумят.
• Быстрая заправка – менее 5 минут.
• Есть большой потенциал для развития.
• Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
• Высокий крутящий момент при начале движения.
• Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
• Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
• Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.

Опасен ли водород для человека?

Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.

Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.

Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.

Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.

Как выглядит батарея в электрокаре

На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.

Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

Попов Андрей Геннадьевич

Автослесарь, стаж работы 19 лет

Задать вопрос

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

 

Мелехов Алексей Викторович

Автоэлектрик , стаж работы 9 лет

Задать вопрос

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2018 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Автозаправки бывают 3 типов:

1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina h3 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

• Audi A7 h-tron quattro;
• Hyundai Tucson FCEV;
• Mazda RX-8 Hydrogen RE;
• Автобус Ford E-450;
• Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Focus FCV;
• Honda FCX;
• Nissan X-TRAIL FCV;
• Toyota Highlander FCHV;
• Volkswagen — space up!;
• Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
• Irisbus;
• Toyota FCHV-BUS;
• единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе

В настоящее время имеется множество препятствий для того, чтобы перевести большую часть автомобилей на водородное топливо:

Высокая цена водорода. Примерная цена 9 долларов на 100 км пробега. Гибридный автомобиль (Toyota Prius) проедет те же сто км за 2,8 долларов, а Tesla Model S – за 3 бакса. А снижение цены на водород до уровня цен на бензин не прогнозируют даже сами производители автомобилей. Поэтому здесь не получится никакой экономии как при покупке транспорта, так и при заправках.

Производство водорода — вредно для экологии. Сейчас водород производится при помощи паровой конверсии метана, либо частичного окисления. После производства чистого водорода в атмосферу оксид углерода (углекислый газ, CO₂), против которого борются многие страны при помощи альтернативных источников энергии для автомобилей. Поэтому здесь получается замкнутый круг.

Отсутствие развития водородных заправок. Для открытия средней водородной заправочной станции требуется не очень большие средства. Все станции можно пересчитать по пальцам, поэтому на водородном автомобиле далеко не уедешь. Придётся осуществлять поездки только в тех местах, где имеются эти самые водородные станции.

Высокая цена на водородные автомобили. Цена на Toyota Mirai на данный момент составляет от 58 тыс. долларов, а на самом деле его продают почти по себестоимости. Из-за таких цен многие не спешат с покупкой таких автомобилей.

Отсутствие преимуществ перед электрокарами. Запас хода, цена заправки, безопасность, мощность и разгон – везде выигрывают электрические автомобили по сравнению с водородными машинами. Единственный плюс у водородных авто – это очень быстрая заправка – 3-5 минут, тогда как электромобили заправляются за 30 минут и более. В любом случае можно в электрокарах можно быстро поменять батарею и через пару минут ехать на «полном баке». Да и когда изобретут более быстрый метод заправок электрических автомобилей, то водородные авто отойдут на 2 план.

Для чего тогда автоконцерны производят и разрабатывают автомобили? Во-первых, это вложение, вдруг через несколько лет именно эта технология окажется наиболее перспективной. Во-вторых, между фирмами идёт соперничество. В-третьих, в некоторых штатах законодательство так поменялось, что сделать водородное авто в 5 раз выгоднее, чем электрокар, плюс государство даёт постоянные гранты и вливания на развитие заправок. Если появится большое количество заводов по производству водорода, то цена автомобилей и водорода будет более интересная.

Видео: Автогиганты бьют по ТЕСЛА: ВОДОРОДНЫЕ автомобили будущего!

Водородный автомобиль – это авто будущего, к переходу на которые могут перейти в недалёком будущем. Сейчас самый популярный авто на водороде – это Toyota Mirai, стоимость которого сравнима с ценой электрокаров. Обеспечивается работа автомобилей при помощи специальных топливных ячеек или элементов, число которых достигает несколько сотен.

Если бы цена на газ была меньше, а заправок было бы больше, то авто с водородными двигателями получили бы не меньшую популярность, чем электромобили. Посмотрим, что покажет будущее.

Сколько раз прочитали статью:
4 350

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

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.

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.

Читайте также

принцип работы машин на водородном топливе, плюсы и минусы

Водородный двигатель в последние годы всё чаще рассматривается многими производителями транспортных средств в качестве достойной альтернативы традиционным ДВС, работа которых обеспечивается «чёрным золотом». Перспектива использовать такой двигатель в будущих десятилетиях была оценена ещё во времена блокады Ленинграда, когда Борис Шелищ сумел разработать, а также внедрить метод перевода бензиновых двигателей на использование водородного топлива. Однако до настоящего времени предпочтение отдавалось исключительно конкурирующим технологиям, к числу которых можно отнести электромобиль и гибридный автомобиль.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н₂О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Преимущества и недостатки

С практической точки зрения все плюсы и минусы водородных силовых агрегатов в условиях современного автомобилестроения очевидны и обусловлены их техническими характеристиками. К неоспоримым преимуществам относятся следующие факторы:

• абсолютно бесшумная работа;
• высокие показатели экологической чистоты;
• очень достойный коэффициент полезного действия;
• меньшее количество токсичных выбросов в атмосферу;
• гарантированно высокая мощность и производительность;
• конструктивная простота и отсутствие ненадёжных систем топливной подачи.

Среди значимых недостатков можно выделить сложность и дороговизну получения топлива в промышленных объёмах, отсутствие регламента хранения и транспортирования. Вес машины естественным образом заметно увеличится, что обусловлено необходимостью установки на транспортное средство тяжёлых токовых преобразователей и мощных аккумуляторных батарей.

Специалисты отмечают также высокую опасность использования водорода, связанную с риском появления взрыво- и пожароопасной ситуации при взаимодействии с разогретым выпускным коллектором и моторными маслами. Сегодня цена одного килограмма водорода составляет порядка 8-9 американских долларов, поэтому при расходе 1,2-1,3 кг на 100 км, средняя стоимость такой поездки вполне сопоставима с эксплуатацией традиционного бензинового автомобиля.

Модели с водородным двигателем

Работы по разработке и производству реально функционирующего прототипа инновационного автомобиля обходятся примерно в миллион долларов. Самые крупные автомобильные концерны располагают такими суммами, но крайне редко считают вложение средств в подобные проекты высокодоходным мероприятием.

Honda FCX Clarity

Модель имеет силовую установку в виде водородных топливных элементов. Лизинговые продажи стартовали в Америке 11 лет назад, а для заправки топливом разрабатывалась очень компактная по размерам энергетическая станция (Home Energy Station). Подсистема разгона и торможения в этом автомобиле оснащена эксклюзивным ионистором в виде супер-конденсатора без наличия традиционных «обкладок». Запас хода на одном заряде составляет 700 км. Розничная цена модели – почти 63 тысячи американских долларов.

Hyundai Tucson/ix35 FCEV

Внедорожник класса «К1» был запущен в серийное производство шесть лет назад. Модель, занявшая лидирующие позиции в области использования водородного топлива, отличается компактными размерами. Автомобиль оснащён силовой установкой, представленной двумя газовыми баллонами, которые заполняются сжатым водородом под давлением 700 атм. В динамике эта машина очень хороша, но оптимальный вариант – городской цикл езды.

Hyundai Nexo

Южнокорейская модель второго поколения водородных кроссоверов отличается не только новой платформой, но также лёгким кузовом, аккумуляторной батареей в багажнике и улучшенным строением топливных элементов. Объём трёх одинаковых по размерам баков составляет 52,2 л водорода. Модель была протестирована за Полярным кругом, где довольно легко подтвердила свою работоспособность в суровых климатических условиях.

Toyota Mirai FCV

Японский водородный экомобиль – это новая эра автомобилестроения. Для четырёхдверного седана характерно наличие заметно улучшенной силовой установки, модернизированных и усовершенствованных агрегатов. В модели Тойота Мирай установлены высокоэффективные водородные топливные элементы FC stack и синхронный электрический двигатель переменного тока. Запас хода на одном заряде двух заправочных баллонов составляет 650 км.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива. Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

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 для автомобиля? 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. 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.

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.

как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.

Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.

Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.

Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.

Источник

Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.

В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.

Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.

Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.

Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.

Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.

Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.

Водородные АЗС в 2019 году(источник)

Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

Автомобиль на водороде. Пора ли прощаться с бензином? / Блог компании Toshiba / Хабр

Привет, Хабр! К нашей прошлой статье о водородной энергетике вы написали очень интересные и справедливые комментарии, ответы на которые вы сможете найти в этом материале, посвященном использованию водорода в автомобилях.

Действительно, в сравнении с бензином водород — одна сплошная проблема: его очень трудно хранить и непросто получать, он взрывоопасен, а водородные автомобили в разы дороже бензиновых. Но при этом водород считается наиболее перспективным видом альтернативного топлива для транспорта. К тому же, на производство водородных автомобилей инвесторы готовы тратить многомиллиардные инвестиции.

Приговор бензину уже подписан

Согласно последнему отчету BP Statistical Review of World Energy 2018, мировые разведанные запасы нефти составляют 1,696 млрд баррелей, чего при сохранении текущего уровня потребления хватит лет на пятьдесят. Неразведанные запасы нефти, предположительно, дадут нам еще полвека углеводородной энергетики, но и стоимость ее добычи может оказаться такой, что нефть попросту станет невыгодна в сравнении с другими источниками энергии. Когда месторождения с удобной добычей истощатся, цена на сырье автоматически пойдет вверх: если сейчас стоимость добычи барреля в России некоторыми оценивается в 2-3 доллара (по альтернативным оценкам, в 18 долларов), то для сланцевой нефти это уже 30-50 долларов. А впереди у человечества реальная перспектива перейти на добычу шельфовой и арктической нефти, цена которой будет еще выше.

Всплеск интереса к электротранспорту в 70-х годах XX века возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью.

А еще на пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 года. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 года. Нидерланды — до 2030 года. Норвегия — до 2025 года. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 года. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 года.

Сжигание водорода в ДВС

Сжигание водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания кажется самым простым и логичным способом применения газа, ведь водород легко воспламеняется и сгорает без остатка. Однако из-за разницы в свойствах бензина и водорода перевести ДВС на новый вид топлива оказалось не так-то просто. Сложности возникли с долгосрочной эксплуатацией движков: водород вызывал перегрев клапанов, поршневой группы и масла, из-за втрое большей, чем у бензина, теплоты сгорания (141 МДж/кг против 44 МДж/кг). Водород неплохо показывал себя на низких оборотах движка, но при росте нагрузки возникала детонация. Возможным решением проблемы была замена водорода на бензиново-водородную смесь, концентрация газа в которой динамически уменьшалась по мере роста оборотов двигателя.

Двухтопливная BMW Hydrogen 7 в кузове E65 сжигает водород в ДВС вместо бензина
Источник: Sachi Gahan / Flickr

Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 годах. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически.

Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20% — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами. В-третьих, Hydrogen 7 появился слишком рано — когда «зеленые» автомобили еще не были так актуальны. В-четвертых, ходили упорные слухи, что Агентство по охране окружающей среды США не разрешило называть Hydrogen 7 автомобилем без вредного выхлопа — из-за особенностей работы ДВС, частицы моторного масла попадали в камеру сгорания и там воспламенялись вместе с водородом.

Mazda RX-8 Hydrogen RE — тот случай, когда водород загубил всю динамику роторного двигателя. Источник: Mazda

Еще раньше, в 2003 году, была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 году. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч.

BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE были лебединой песней водородных ДВС: к моменту появления этих автомобилей стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь.

Топливные элементы в автомобилях

Первым успешным экспериментом по созданию транспортного средства на водородном топливном элементе можно считать трактор Гарри Карла, построенный в 1959 году. Правда, замена дизеля на топливный элемент снизила мощность трактора до 20 л. с.

В последние полвека водородный транспорт выпускался в штучных экземплярах. Например, в 2001 году в США появился автобус Generation II, водород для которого производился из метанола. Топливные элементы создавали мощность до 100 кВт, то есть около 136 л. с. В том же году российский ВАЗ представил «Ниву» на водородных элементах, известную под именем «Антэл-1». Электродвигатель выдавал мощность до 25 кВт (34 л. с.), разгонял авто максимум до 85 км/ч и на одной заправке работал 200 км. Единственный произведенный автомобиль остался «лабораторией на колесах».

Российский автомобиль на водородных топливных элементах — в то время технологии ушли дальше дизайна. Источник: «АвтоВАЗ»

В 2013 году Toyota встряхнула автомобильный мир, представив модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя. В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя.

Toyota Mirai. Источник: Toyota

Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100% за 75 минут на станциях Tesla Supercharger и до 30 часов от обычной розетки на 220 В.

Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Максимальная скорость машины достигает 175 км/ч — немного в сравнении с углеводородным топливом, но более чем достаточно для повседневной езды. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передаётся избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населённые пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016-го модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колёсах с предельной ёмкостью 150 кВт∙ч.

Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 литров) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков.

Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140–160 л.с. славится своей «лёгкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38–45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг!

За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной, относительно безопасной для питья воды — энтузиасты, пробовавшие «выхлоп» Mirai, сообщали только о лёгком привкусе пластика.

Пить воду, слитую из Mirai, безопасно, хотя сперва зрелище шокирует

В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 литра, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атмосфер. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоёв пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.

Строение Toyota Mirai. Спереди расположен электродвигатель, топливный элемент спрятан под водительским сидением, а под задним рядом и в багажнике установлены баки и аккумулятор. Источник: Toyota

Каковы перспективы?

По оценкам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут потреблять 1900 тераватт-час вместо 13 млн баррелей в сутки, то есть 8% от спроса на электричество по состоянию на 2015 год. 8% — пустяк, если учесть, что сейчас до 70% добываемой в мире нефти уходит на производство топлива для транспорта.

Перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными ячейками. В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.

Примером тому является созданный в 2017 году «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупные компании, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее внедрение в нашу жизнь.

Как работает двигатель на водородном топливе?

Технология двигателей на водородном топливе не нова для мира; он фактически использовался в крупных проектах крупными производителями автомобилей в Соединенных Штатах Америки. Компания General Motors, лидирующая по производству автомобилей с водородным двигателем, следует за BMW. Они используют основные принципы, используемые при создании стандартных автомобилей. Многие люди часто хотят знать, как работают двигатели на водородном топливе. Особенно в связи с постоянным ростом цен на газ и мировой рецессией водород может быть высоко оценен как альтернативный источник топлива.

Двигатель на водородном топливе / мотор

Двигатели на водородном топливе отличаются от обычных двигателей принципом работы. Автомобили, использующие двигатели, работающие на водороде, обычно нуждаются в электроэнергии для питания автомобиля. Двигатель, работающий на водороде, отличается от обычного двигателя внутреннего сгорания тем, что водород производит электричество, которое используется для запуска двигателя или двигателя. Водородный двигатель можно назвать двухмоторным.

Первая ячейка отвечает за производство электричества из водорода, в то время как другая использует электричество для движения автомобиля.Электродвигатель легко понять, как он работает, и на самом деле он используется уже давно. Технология топливных элементов — это то, что многие люди считают сложной.

Водородный топливный элемент

Водородный топливный элемент является основным источником энергии в двигателе на водородном топливе и работает как аккумулятор. Между катодом и анодом расположена мембрана. Водород разрушается при попадании на эту мембрану в результате химической реакции, в которой образуются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы водорода.

Электрический ток образуется, когда положительно заряженные ионы водорода проходят через мембрану, а электроны движутся вокруг нее. Эти ионы водорода обычно соединяются с естественным доступным кислородом с образованием воды. Вода удаляется из топливного элемента вместе с теплом, которое является единственными побочными продуктами процесса. Вот почему двигатель на водородном топливе считается экологически чистым.

Питание двигателя

Чтобы иметь возможность производить достаточно электричества для топлива двигателя автомобиля, многие водородные топливные элементы устанавливаются в штабелях.Это потому, что вы можете обнаружить, что один водородный топливный элемент производит примерно один вольт электричества, и реакция происходит много раз. Вы можете воспринимать водородный топливный элемент как батарею, за исключением того факта, что он заряжается водородным топливом.

Электроэнергия, вырабатываемая водородным топливным элементом , направляется в двигатель и приводит в движение транспортное средство. Вот как работает двигатель на водородном топливе, чтобы обеспечивать движение транспортного средства. Базовая концепция двигателя на водородном топливе может быть использована для создания инновационных двигателей на водородном топливе.

Преимущества водородного топлива

Двигатели, работающие на водороде, являются настоятельно рекомендуемой альтернативой газовым двигателям из-за их способности сохранять окружающую среду. Альтернативой источнику топлива выступает водород, поскольку он также позволяет избежать чрезмерной зависимости от ископаемого топлива. Считается, что это лучшее топливо, поскольку в качестве побочного продукта выделяется вода по сравнению с вредным диоксидом углерода, выделяемым бензином и дизельным топливом.

Автомобильная промышленность — HydroGen

Water Fuel Engineering производит две серии HydroGen Systems, ориентированных на различные двигатели внутреннего сгорания, работающие от 12 В и 24 В.
HydroGen 4.0 — это автономный электролизер, устанавливаемый на обычные автомобили с дизельным или бензиновым двигателем.

12 В HydroGen ^tm
— Диапазон рабочего напряжения — от 12 В до 14,2 В
— Потребляемый ток — до 21 А
— Производство газа — до 5 литров в минуту
— Размеры — Ш — 250 мм; H — 200 мм; D — 200 мм
— Рабочее контролируемое давление — до 4 атм. / Текущая версия настроена на работу до 0,5 атм в связи с ограничениями стандартов /

24V HydroGen ^tm
— Диапазон рабочего напряжения — от 24 В до 28.5V
— Потребляемый ток — до 21 А
— Добыча газа — до 10 литров в минуту
— Габариты — W — 420мм; H — 200 мм; D — 200 мм
— Рабочее контролируемое давление — до 4 атм. / Текущая версия настроена на работу до 0,5 атм в связи с ограничениями стандартов /

Установка производит небольшие количества кислородно-водородного газа (впервые запатентованного в Болгарии в 1970 году Юллом Брауном; так называемый «коричневый газ»), уникальные свойства которого создают более богатую смесь в двигателе внутреннего сгорания, имеющую ряд преимуществ.

Электролиз известен с XIX века. Однако благодаря достижениям в области материаловедения и способности с 2000 года оптимизировать и контролировать потребность в кислородном водороде стало возможным производить эффективное преобразование энергии в пределах движущегося транспортного средства.

Преимущества
• Экономия топлива не менее 10% *
• Снижение выбросов не менее 65% **
• Повышение производительности двигателя не менее 5% ***
• Увеличенный срок службы двигателя; за счет удаления карбонизации
• Снижение затрат на фильтры; экономия на замене и регенерации DPF

Водород — большая новость…

Правительства всего мира используют водородные технологии, при этом миллионы долларов инвестируются в производство водорода, распределение водорода, водородные заправочные станции, водородные автомобили и водородные топливные элементы.
ОДНАКО….

В WFE HydroGen 4.0 есть… ..

• НЕТ необходимости в производстве водорода в промышленных масштабах (весь необходимый водород производится на борту и по запросу!)
• НЕТ необходимости в распределении водорода.
• НЕТ необходимости в хранении водорода в тяжелых и дорогих бронированных резервуарах для хранения транспортных средств.
• НЕТ необходимости в заправочной инфраструктуре.
• НЕТ ограничений по дальности; с доливом воды требуется ТОЛЬКО при заправке.
• НЕТ проблем с безопасностью; Агентство по сертификации транспортных средств правительства Великобритании одобрило наши устройства и подтвердило их безопасность

Как работают водородные двигатели? (с изображением)

Водородные двигатели считаются многими отличной альтернативой двигателям, работающим на ископаемом топливе.Есть два типа водородных двигателей, и их мощность зависит от разных принципов. Двигатели на водороде внутреннего сгорания работают аналогично двигателям внутреннего сгорания, работающим на нефти. Двигатель на водородных топливных элементах работает, смешивая водород и кислород, вырабатывая электричество во время химической реакции.

Вместо ископаемого топлива для двигателей можно использовать водород.

Водородные двигатели внутреннего сгорания аналогичны другим двигателям внутреннего сгорания, за исключением того, что в них используется водород вместо ископаемого топлива, что упрощает преобразование производственного процесса с нефтяных горелок на водородные двигатели. Эти водородные двигатели сжигают жидкий водород для перемещения поршней и выработки энергии. Водород обеспечивает высокую энергию без вредных выхлопов.

Однако у водородного двигателя внутреннего сгорания есть некоторые ограничения, которые делают его непрактичным.Чтобы сохранить достаточно топлива, чтобы его можно было использовать, водород должен храниться в жидкой форме, что требует охлаждения до чрезвычайно низких температур. Такая низкая температура может привести к деформации и растрескиванию не только топливного бака, но и любой окружающей конструкции. Изоляция и усиление транспортного средства, способного противостоять этим температурам, повышает стоимость производства до недопустимых уровней.

Альтернативой этой модели является модель топливного элемента.Водород и кислород смешиваются внутри топливного элемента, образуя воду. Эта химическая реакция также высвобождает электричество, которое можно накапливать и использовать для питания двигателя. Вода — единственный выхлоп, производимый этим двигателем, что делает его хорошим вариантом для снижения загрязнения воздуха.

Внутри топливного элемента сжатый газообразный водород проходит через катализатор с платиновым покрытием, где электроны отталкиваются, генерируя электричество и создавая положительные ионы водорода.Кислород, вводимый в ячейку через катод, связывается с ионами, образуя воду. Затем эта вода может быть выпущена в виде выхлопных газов. Энергии, вырабатываемой одним топливным элементом, будет недостаточно для приведения в действие транспортного средства, но несколько элементов могут быть связаны для обеспечения достаточной энергии.

Существуют также ограничения для водородных двигателей на топливных элементах.Они исключительно хрупкие и могут быть недостаточно прочными, чтобы выдержать использование в автомобиле. В их конструкции используются дорогие компоненты и драгоценные металлы, такие как платина, что увеличивает стоимость производства.

Топливные элементы также склонны к замерзанию, особенно перед запуском. После запуска водородного двигателя в результате химического процесса вырабатывается достаточно тепла, чтобы клетки не замерзли.Однако они не выделяют столько тепла, как двигатели внутреннего сгорания, а двигателям на топливных элементах требуется значительно больше времени для прогрева.

Как преобразовать бензиновые и дизельные двигатели для использования водорода в качестве топлива

Водород улучшает сгорание существующего топлива, что приводит к значительному увеличению экономии за счет более полного сгорания водородно-топливных смесей.

Однако проблемы, связанные с производством водорода, достаточного для работы двигателя без бензина, включают:

• чрезмерно большую и дорогую систему генерации HHO
• аккумулятор транспортного средства не может обеспечить необходимый ток
• генератор HHO резервуар для воды и аккумуляторная батарея могли бы заполнить прицеп, который должен буксироваться автомобилем
• , невозможно контролировать поток HHO для удовлетворения динамических потребностей бензинового двигателя

Для иллюстрации, вот расчеты для очень небольшого, 1 преобразование литрового двигателя для работы на 100% водороде HHO

Этот двигатель имеет мощность 50 л.с., 37 киловатт

Потери возникают каждый раз, когда энергия преобразуется из одной формы в другую.

Двигатели внутреннего сгорания преобразуют бензин в механическую энергию с КПД 25%.

В результате двигателю требуется 148 кВт входной энергии (HHO) для выработки выходной мощности 37 кВт.

Электролизеры потребительского класса имеют КПД около 50%, поэтому для производства необходимых 148 кВт HHO требуется 296 кВт электроэнергии. Эта энергия берется из аккумулятора автомобиля.

12-вольтовые батареи должны обеспечивать мощность 25 000 ампер для достижения мощности 296 кВт.

Автомобильные аккумуляторы могут обеспечивать ток 25 А в течение длительного времени и рассчитаны на 1 ток.5 часов. В этом примере, даже если используется 1000 аккумуляторов, автомобиль может двигаться только 1,5 часа.

В дополнение к непрактичной аккумуляторной батарее и генератору, способному производить 1562 литра HHO в минуту, инженерная задача этого проекта практически невозможна.

Автомобильные двигатели очень динамичны в потреблении топлива и резко меняются за доли секунды.

Электролиз по своей природе не реагирует, то есть вы не можете быстро изменить скорость потока водорода вверх или вниз.

Невозможно контролировать 25000 ампер и точно управлять потоком HHO, чтобы удовлетворить динамические потребности бензинового двигателя, чтобы двигатель работал правильно.

В заключение, если доступен аккумуляторный источник мощностью 296 кВт, было бы намного эффективнее использовать его в электромобиле и избежать всех потерь энергии бензинового двигателя и электролизера.

Компоненты водородной заправочной станции

Подробнее:

Как работают водородные генераторы для транспортных средств

Как правильно выбрать оборудование

Настройка и работа оборудования HHO, безопасность, совместимость

Как рассчитать максимальный выход водорода

Что происходит, когда в двигатель подается слишком много водорода

Результаты экспериментов НАСА с водородом в двигателях внутреннего сгорания

Посетите наш магазин

% PDF-1.6 % 3220 0 объект > endobj xref 3220 530 0000000016 00000 н. 0000014228 00000 п. 0000014617 00000 п. 0000014671 00000 п. 0000014818 00000 п. 0000020635 00000 п. 0000020674 00000 п. 0000020725 00000 п. 0000020776 00000 п. 0000020827 00000 н. 0000020906 00000 н. 0000021789 00000 п. 0000022436 00000 п. 0000023008 00000 п. 0000023437 00000 п. 0000023869 00000 п. 0000024303 00000 п. 0000024740 00000 п. 0000025482 00000 п. 0000033824 00000 п. 0000034519 00000 п. 0000037214 00000 п. 0000037771 00000 п. 0000037962 00000 п. 0000038159 00000 п. 0000040286 00000 п. 0000042601 00000 п. 0000044939 00000 п. 0000045446 00000 п. 0000047582 00000 п. 0000047764 00000 п. 0000050149 00000 п. 0000050441 00000 п. 0000083440 00000 п. 0000085779 00000 п. 0000087346 00000 п. 0000089478 00000 п. 00000 _{00000 н. 0000093231 00000 п. 0000095261 00000 п. 0000096882 00000 п. 0000099260 00000 н. 0000101165 00000 н. 0000102796 00000 н. 0000105012 00000 н. 0000107134 00000 п. 0000108650 00000 п. 0000110803 00000 п. 0000112520 00000 н. 0000114446 00000 н. 0000116138 00000 п. 0000118228 00000 п. 0000120344 00000 н. 0000122218 00000 н. 0000124302 00000 н. 0000126504 00000 н. 0000128774 00000 н. 0000131068 00000 н. 0000133221 00000 н. 0000135350 00000 н. 0000137646 00000 н. 0000139855 00000 н. 0000142117 00000 н. 0000144397 00000 н. 0000146361 00000 п. 0000148467 00000 н. 0000150662 00000 н. 0000152845 00000 н. 0000154956 00000 н. 0000156910 00000 н. 0000159094 00000 н. 0000161296 00000 н. 0000163342 00000 н. 0000165631 00000 н. 0000167922 00000 н. 0000170200 00000 п. 0000172367 00000 н. 0000174435 00000 н. 0000176491 00000 н. 0000178767 00000 н. 0000181058 00000 н. 0000183207 00000 н. 0000185603 00000 н. 0000187964 00000 н. 00001}

00000 н. 0000192396 00000 н. 0000194688 00000 н. 0000196907 00000 н. 0000199175 00000 н. 0000201563 00000 н. 0000203841 00000 н. 0000206014 00000 н. 0000208350 00000 н. 0000210620 00000 н. 0000212945 00000 н. 0000215268 00000 н. 0000217425 00000 н. 0000219496 00000 п. 0000221841 00000 н. 0000224228 00000 п. 0000226557 00000 н. 0000228673 00000 н. 0000231040 00000 н. 0000233463 00000 н. 0000235676 00000 н. 0000238048 00000 н. 0000240398 00000 н. 0000242496 00000 н. 0000244867 00000 н. 0000247190 00000 н. 0000249281 00000 п. 0000251629 00000 н. 0000254021 00000 н. 0000256183 00000 н. 0000258496 00000 н. 0000260792 00000 н. 0000263095 00000 н. 0000265243 00000 п. 0000267605 00000 н. 0000270024 00000 н. 0000272165 00000 н. 0000274444 00000 н. 0000276751 00000 н. 0000279112 00000 н. 0000281169 00000 н. 0000283347 00000 н. 0000285590 00000 н. 0000287869 00000 н. 00002

00000 п. 0000292669 00000 н. 0000294945 00000 н. 0000297396 00000 н. 0000299824 00000 н. 0000302036 00000 н. 0000304422 00000 н. 0000306503 00000 н. 0000308970 00000 н. 0000311174 00000 н. 0000313491 00000 п. 0000315633 00000 н. 0000318037 00000 н. 0000320288 00000 н. 0000322354 00000 н. 0000324638 00000 н. 0000326934 00000 н. 0000329079 00000 н. 0000331187 00000 н. 0000333538 00000 п. 0000335749 00000 н. 0000337826 00000 н. 0000340138 00000 н. 0000342444 00000 н. 0000344571 00000 н. 0000346926 00000 н. 0000349326 00000 н. 0000351454 00000 н. 0000353820 00000 н. 0000355995 00000 н. 0000358109 00000 н. 0000360167 00000 н. 0000362203 00000 н. 0000364376 00000 н. 0000366480 00000 н. 0000368574 00000 н. 0000370771 00000 н. 0000373135 00000 н. 0000375256 00000 н. 0000377628 00000 н. 0000379823 00000 н. 0000382058 00000 н. 0000384402 00000 н. 0000386598 00000 н. 0000388865 00000 н. 00003 00000 н. 0000393387 00000 н. 0000395702 00000 н. 0000397907 00000 н. 0000400291 00000 н. 0000402504 00000 н. 0000404731 00000 н. 0000406916 00000 н. 0000409245 00000 н. 0000411511 00000 п. 0000413727 00000 н. 0000416071 00000 н. 0000418319 00000 п. 0000420631 00000 н. 0000423002 00000 н. 0000425110 00000 н. 0000427496 00000 н. 0000429826 00000 н. 0000431945 00000 н. 0000434278 00000 н. 0000436665 00000 н. 0000438723 00000 п. 0000440921 00000 н. 0000443173 00000 н. 0000445470 00000 н. 0000447734 00000 н. 0000449793 00000 н. 0000451991 00000 н. 0000454185 00000 п. 0000456199 00000 н. 0000458400 00000 н. 0000460759 00000 н. 0000463073 00000 н. 0000465398 00000 н. 0000467482 00000 н. 0000469658 00000 н. 0000471963 00000 н. 0000474205 00000 н. 0000476284 00000 н. 0000478542 00000 н. 0000480721 00000 н. 0000483044 00000 н. 0000485396 00000 н. 0000487549 00000 н. 0000489914 00000 н. 0000492233 00000 н. 0000494387 00000 н. 0000496668 00000 н. 0000498956 00000 н. 0000501025 00000 н. 0000503281 00000 н. 0000505670 00000 н. 0000507800 00000 н. 0000510109 00000 н. 0000512237 00000 н. 0000514421 00000 н. 0000516732 00000 н. 0000518895 00000 н. 0000521238 00000 н. 0000523524 00000 н. 0000525607 00000 н. 0000527855 00000 н. 0000530161 00000 п. 0000532326 00000 н. 0000534449 00000 н. 0000536752 00000 н. 0000539077 00000 н. 0000541258 00000 н. 0000543649 00000 н. 0000545997 00000 н. 0000548321 00000 н. 0000550425 00000 н. 0000552622 00000 н. 0000554961 00000 н. 0000557055 00000 н. 0000559442 00000 н. 0000561739 00000 п. 0000564048 00000 н. 0000566197 00000 н. 0000568580 00000 н. 0000570926 00000 н. 0000573044 00000 н. 0000575354 00000 н. 0000577450 00000 н. 0000579815 00000 н. 0000582129 00000 н. 0000584240 00000 н. 0000586595 00000 н. 0000589018 00000 н. 00005

00000 н. 0000593513 00000 н. 0000595807 00000 н. 0000597911 00000 н. 0000600204 00000 н. 0000602570 00000 н. 0000604637 00000 н. 0000606959 00000 н. 0000609066 00000 н. 0000611396 00000 н. 0000613803 00000 п. 0000615963 00000 н. 0000618257 00000 н. 0000620553 00000 н. 0000622765 00000 н. 0000625104 00000 н. 0000627220 00000 н. 0000629599 00000 н. 0000631854 00000 н. 0000633918 00000 п. 0000636227 00000 п. 0000638309 00000 п. 0000640611 00000 н. 0000642810 00000 н. 0000644948 00000 н. 0000647274 00000 н. 0000649702 00000 н. 0000651832 00000 н. 0000654226 00000 н. 0000656474 00000 н. 0000658528 00000 н. 0000660809 00000 н. 0000663110 00000 н. 0000665262 00000 н. 0000667417 00000 н. 0000669714 00000 н. 0000671993 00000 н. 0000674212 00000 н. 0000676592 00000 н. 0000678916 00000 н. 0000681054 00000 н. 0000683390 00000 н. 0000684956 00000 н. 0000687336 00000 н. 0000689023 00000 н. 00006 00000 н. 0000692868 00000 н. 0000694453 00000 п. 0000696811 00000 п. 0000698580 00000 н. 0000700742 00000 н. 0000702488 00000 н. 0000704780 00000 н. 0000706429 00000 н. 0000708796 00000 н. 0000710592 00000 н. 0000712744 00000 н. 0000714577 00000 н. 0000716896 00000 н. 0000718616 00000 н. 0000720954 00000 н. 0000723329 00000 н. 0000725507 00000 н. 0000727876 00000 н. 0000730135 00000 н. 0000732338 00000 н. 0000734702 00000 н. 0000736943 00000 н. 0000739286 00000 н. 0000741487 00000 н. 0000743747 00000 н. 0000746088 00000 н. 0000748289 00000 н. 0000750504 00000 н. 0000752863 00000 н. 0000755175 00000 н. 0000757306 00000 н. 0000759648 00000 н. 0000762060 00000 н. 0000764205 00000 н. 0000766495 00000 н. 0000768790 00000 н. 0000770567 00000 н. 0000772626 00000 н. 0000774434 00000 н. 0000776667 00000 н. 0000778379 00000 н. 0000780105 00000 н. 0000782365 00000 н. 0000784211 00000 н. 0000786435 00000 н. 0000788229 00000 н. 00007 00000 н. 0000792700 00000 н. 0000794541 00000 п. 0000796637 00000 п. 0000798496 00000 п. 0000800788 00000 н. 0000802539 00000 н. 0000804816 00000 н. 0000806633 00000 н. 0000808997 00000 н. 0000811220 00000 н. 0000813544 00000 н. 0000815838 00000 н. 0000818018 00000 н. 0000820149 00000 н. 0000820653 00000 н. 0000826943 00000 н. 0001152526 00000 п. 0001152667 00000 п. 0001175009 00000 пн 0001177369 00000 п. 0001179474 00000 п. 0001181835 00000 п. 0001184057 00000 п. 0001186117 00000 п. 0001188425 00000 п. 00011

00000 п. 0001192860 00000 п. 0001194777 00000 п. 0001197201 00000 п. 0001199065 00000 п. 0001201433 00000 н. 0001203340 00000 п. 0001205343 00000 п. 0001207292 00000 п. 0001209164 00000 п. 0001211176 00000 п. 0001213182 00000 п. 0001215085 00000 п. 0001217121 00000 п. 0001217196 00000 п. 0001217327 00000 пн 0001217412 00000 п. 0001217457 00000 п. 0001217578 00000 п. 0001217623 00000 п. 0001217758 00000 п. 0001217803 00000 п. 0001217947 00000 пн 0001217992 00000 н. 0001218103 00000 п. 0001218148 00000 п. 0001218259 00000 п. 0001218304 00000 п. 0001218442 00000 п. 0001218487 00000 п. 0001218669 00000 п. 0001218714 00000 п. 0001218850 00000 п. 0001218895 00000 п. 0001219049 00000 п. 0001219094 00000 п. 0001219208 00000 п. 0001219253 00000 п. 0001219375 00000 п. 0001219420 00000 n 0001219521 00000 п. 0001219566 00000 п. 0001219674 00000 п. 0001219719 00000 п. 0001219840 00000 пн 0001219885 00000 п. 0001220008 00000 н. 0001220053 00000 п. 0001220167 00000 п. 0001220212 00000 п. 0001220346 00000 п. 0001220391 00000 п. 0001220513 00000 п. 0001220558 00000 п. 0001220672 00000 п. 0001220717 00000 п. 0001220821 00000 п. 0001220866 00000 п. 0001221016 00000 п. 0001221061 00000 п. 0001221185 00000 п. 0001221230 00000 п. 0001221372 00000 пн 0001221417 00000 п. 0001221537 00000 п. 0001221582 00000 п. 0001221768 00000 п. 0001221813 00000 п. 0001221926 00000 п. 0001221971 00000 п. 0001222072 00000 п. 0001222117 00000 п. 0001222230 00000 п. 0001222275 00000 п. 0001222390 00000 п. 0001222435 00000 п. 0001222568 00000 п. 0001222613 00000 п. 0001222735 00000 п. 0001222780 00000 п. 0001222927 00000 п. 0001222972 00000 п. 0001223103 00000 п. 0001223148 ​​00000 п. 0001223261 00000 п. 0001223306 00000 п. 0001223424 00000 п. 0001223469 00000 п. 0001223592 00000 п. 0001223637 00000 п. 0001223748 00000 п. 0001223793 00000 п. 0001223902 00000 п. 0001223947 00000 п. 0001224068 00000 п. 0001224113 00000 п. 0001224261 00000 п. 0001224306 00000 п. 0001224433 00000 п. 0001224478 00000 п. 0001224579 00000 п. 0001224624 00000 п. 0001224731 00000 п. 0001224776 00000 п. 0001224882 00000 п. 0001224927 00000 н. 0001225030 00000 п. 0001225075 00000 п. 0001225179 00000 п. 0001225224 00000 п. 0001225381 00000 п. 0001225426 00000 п. 0001225553 00000 п. 0001225598 00000 п. 0001225738 00000 п. 0001225783 00000 п. 0001225931 00000 п. 0001225976 00000 п. 0001226106 00000 п. 0001226151 00000 п. 0001226294 00000 п. 0001226339 00000 п. 0001226456 00000 п. 0001226500 00000 п. 0001226628 00000 н. 0001226672 00000 н. 0001226773 00000 п. 0001226817 00000 п. 0001226922 00000 п. 0001226966 00000 п. 0001227068 00000 п. 0001227112 00000 п. 0001227245 00000 п. 0001227289 00000 п. 0001227421 00000 н. 0001227465 00000 н. 0001227597 00000 п. 0001227641 00000 п. 0001227772 00000 н. 0001227816 00000 н. 0001227926 00000 п. 0001227970 00000 н. 0001228094 00000 п. 0001228138 00000 п. 0001228232 00000 п. 0001228275 00000 п. 0001228414 00000 п. 0001228457 00000 п. 0000013995 00000 п. 0000011121 00000 п. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 3749 0 объект > поток xW {XT_ {3d (| E / 6ȠR «Q &} * O0G ٚ 1 Jtz7gG # U צ 4 S3 / Y & 眙 A | 0gZ [מ

Производство электроэнергии из водородного топлива

Водородная экономика

Водород продвигается как идеальное экологически чистое топливо будущего.

• Он будет по-прежнему доступен, когда иссякнет ископаемое топливо.
• Это десятый по распространенности элемент на Земле и самый распространенный элемент во Вселенной.
• Он образуется из воды и возвращается в воду при сгорании.
• Он доступен в огромных количествах из Мирового океана.
• Может использоваться в топливных элементах для выработки электроэнергии
• Может использоваться в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания для замены бензина или дизельного топлива.
• фунт за фунт он содержит более чем в три раза больше энергии, чем большинство углеводородных топлив.
• Невидимый, без запаха и нетоксичный.

Многие «водородные экономисты» не проясняют одно: откуда берется энергия для извлечения водорода из воды?

Водород является энергоносителем, а не источником энергии, поэтому энергия, которую он доставляет, в конечном итоге должна обеспечивать обычная электростанция.

На этой странице рассматриваются некоторые проблемы.

Топливные элементы

Топливный элемент был изобретен в 1839 год — валлийский юрист сэр Уильям Роберт Гроув. Он забирает водород и кислород из воздуха и выделяет электричество, тепло и воду. Он не использует ископаемое топливо и не производит парниковых газов, поэтому он должен быть идеальным решением для обеспечения распределенной или переносной электроэнергии.Несмотря на очевидные преимущества, практические устройства были разработаны только в 1950-х годах в ответ на потребности космической программы США. Даже сегодня, несмотря на то, что существует множество вариантов топливных элементов, работающих в лабораториях разработки по всему миру, и небольшое развертывание демонстрационных блоков в некоторых странах, массовое производство по-прежнему отсутствует.

Что сдерживает коммерциализацию топливных элементов?

На следующей схеме показаны ключевые компоненты системы для обеспечения питания переменного или постоянного тока.

Но эта диаграмма рассказывает только часть истории.

Хотя основной принцип довольно прост, преобразование его в практический продукт связано с множеством инженерных проблем, и до сих пор предложенные решения не были рентабельными.

Топливные элементы — дорогой способ получения электроэнергии.

Приз дешевой, чистой, возобновляемой энергии все еще невостребован, но инженеры все ближе и ближе к его завоеванию.

В следующем разделе описаны их задачи и текущее состояние разработки.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы не хранят энергию, как батареи. Они вырабатывают только электрическую энергию, пока активные химические вещества подаются на электроды.Этот процесс более подробно описан в двух приведенных ниже примерах.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM)

Наиболее распространенные топливные элементы используют водород в качестве топлива и кислород из воздуха в качестве окислителя. Основную реакцию можно проиллюстрировать на топливном элементе с протонообменной мембраной (PEM). (Также называется топливным элементом с полимерно-электролитной мембраной).

Общее уравнение реакции

2H ₂ + O ₂ ⇒ 2H ₂ O

Уравнение реакций на отдельных электродах показано там, где они происходят, на диаграмме ниже.

• Электроды

Электроды изготовлены из пористого углерода, который пропускает активные газы, а поверхности электродов поддерживают платиновые катализаторы.

• Электролит

Электролит представляет собой тонкий, хрупкий лист кислого твердого органического полимера толщиной около 50 микрон (2 тысячных дюйма), который пропускает ионы водорода, но непроницаем для электронов.Кислотные соединения — это жидкости со свободными ионами водорода, которые являются носителями заряда топливных элементов.

• Активные химические вещества

Водород подается на анод, где он окисляется, теряя электроды в процессе.

Положительные ионы водорода (протоны) мигрируют через электролит через мембрану к аноду, в то же время электроны перемещаются по внешней цепи к катоду.

Кислород подается на катод, где он восстанавливается, собирая электроны и ионы из водорода с образованием воды.

• Электроэнергетика

Электронный поток между анодом и катодом, вызванный химическими реакциями в элементе, представляет собой обычный электрический ток, текущий в противоположном направлении.Этот электрический ток используется для работы во внешней цепи.

• Катализаторы

Катализаторы необходимы для увеличения скорости окисления на аноде и скорости восстановления на катоде. Таким образом, они позволяют химической реакции протекать при более низкой температуре. В качестве альтернативы, чтобы избежать затрат на дорогие катализаторы, некоторые топливные элементы предназначены для работы при повышенных температурах.

Платиновый катализатор, используемый в PEM и некоторых других элементах, очень дорог и чрезвычайно чувствителен к отравлению даже небольшими количествами окиси углерода, что делает необходимым использование дополнительных процессов фильтрации в системе для устранения потенциальных загрязнителей.

Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC)

Ранние топливные элементы с PEM и фосфорнокислотным электролитом (PAFC) в топливных элементах использовали внешний паровой риформинг (см. Ниже) для производства местных источников водорода с использованием метанола в качестве топлива.Однако недавние разработки топливных элементов устранили процесс риформинга за счет подачи метанола вместо водорода непосредственно в топливный элемент. К сожалению, метанол токсичен.

Работа топливного элемента с прямым метанолом аналогична работе топливного элемента PEM, показанного на диаграмме выше. Электролит представляет собой полимер, а носители заряда — ионы водорода. Жидкий метанол (CH ₃ OH) подается на анод ячейки, где он окисляется в присутствии воды, генерирующей диоксид углерода (CO ₂ ).Катодный химический состав такой же, как в ячейке PEM, где кислород объединяется с ионами водорода и электронами из внешнего контура для производства воды. Реакции следующие:

Реакция анода:	CH 3 OH + H 2 O ⇒ CO 2 + 6H + + 6e —
Катодная реакция:	3/2 O 2 + 6H + + 6e — ⇒ 3H 2 O
Общая реакция ячейки:	2CH 3 OH + 3O 2 ⇒ CO 2 + 4H 2 O

Как и топливные элементы PEM, DMFC работают при низких рабочих температурах в диапазоне примерно от 50 ° C до 120 ° C, но имеют относительно низкий КПД и удельную мощность.Выходная мощность с использованием современной технологии ограничена примерно 1,5 кВт, чего достаточно для питания большинства потребительских товаров, но недостаточно для автомобильных приложений, требующих гораздо более высокой мощности.

Тем не менее, возможность использовать жидкое топливо в сочетании с отказом от установки риформинга делает эти топливные элементы очень привлекательными.

Баланс предприятия (ПБ)

Только батарея топливных элементов не может генерировать электричество.Практическим системам требуются подсистемы для подачи топлива и обеспечения необходимого контроля над процессами, связанными с преобразованием энергии. Основное вспомогательное оборудование, так называемое «баланс оборудования», может быть таким же дорогим и сложным, как и сама батарея топливных элементов. Некоторое из этого оборудования представлено в следующем списке;

• Поставка или хранение топлива

Самым крупным объектом является установка риформинга (см. Ниже), которая обеспечивает местное производство водородного топлива.Сама установка риформинга должна иметь емкость для хранения топлива риформинга, используемого в процессе.

Если производство водорода не является частью системы, должно быть какое-то хранилище для хранения водородного топлива, которое будет потребляться топливным элементом. Для этого требуются дорогие резервуары высокого давления или криогенные резервуары для хранения (см. Также ниже)

• Насосы, компрессоры и расширители

Насосы необходимы для прокачки реактивного воздуха через дымовую трубу и обеспечения принудительного охлаждения.Для систем с более высокой мощностью требуются компрессоры для обработки более высоких расходов воздуха.

Детандеры

необходимы для понижения высокого давления хранимого водорода до требуемого входного давления в дымовой трубе.

• Фильтры

Фильтры необходимы для удаления любых загрязняющих веществ из источников топлива, которые могут отравить катализаторы или повредить элементы, снижая их выработку энергии и, в конечном итоге, вызывая их отключение.Конкретными нарушителями являются оксид углерода, образующийся в результате неполных реакций в установке риформинга, который влияет на платиновые катализаторы, и серу, содержащуюся в продуктах риформинга, полученных из ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ, которая загрязняет газообразный водород и, в свою очередь, разрушает и разлагает аноды.

• Управление температурой

В системах большой мощности для отвода тепла используется принудительное охлаждение жидкими хладагентами.Для этого требуются жидкостные насосы и радиатор / теплообменник для отвода тепла.

Система также требует, чтобы нагреватели доводили температуру дымовой трубы до рабочей точки при запуске.

Требуется общая система управления температурой, чтобы сбалансировать тепловые потоки и поддерживать температуру дымовой трубы на оптимальной рабочей точке.

• Управление водными ресурсами

Электропроводность электролита в ячейке пропорциональна содержанию воды, и он должен быть влажным, чтобы оставаться проводящим.Воздушный поток и выделение тепла в камере, как правило, работают против этого. Следовательно, воздух, подаваемый в ячейку, необходимо увлажнять, чтобы предотвратить высыхание электролита, а для этого требуется увлажнитель.

Работа при низких температурах в условиях замерзания также вызывает проблемы из-за образования кристаллов льда, которые могут повредить электролит или мембрану. Система должна включать метод очистки воды или альтернативные средства защиты от замерзания.

Другой насос может потребоваться для удаления излишков воды с катода.

• Управление электроэнергией

Хотя от некоторых топливных элементов может потребоваться обеспечение постоянного рабочего тока и напряжения, большинство систем должны реагировать на переменные потребности. Это означает, что система должна обеспечивать регулируемый выходной ток и, как следствие, все потоки топлива, воздуха и воды должны соответственно изменяться. В то же время изменится тепловыделение, и температура должна поддерживаться в расчетном рабочем диапазоне.То же самое относится и к установке риформинга, если она является частью системы.

Выходное напряжение системы топливных элементов является фиксированным, но для приложения может потребоваться другое напряжение или, в случае большинства генераторов с распределенной мощностью, выход переменного тока. В этих случаях преобразователи постоянного / постоянного тока или инверторы переменного тока могут быть неотъемлемой частью системы.

• Электродвигатели

Для привода насосов и компрессоров требуются двигатели разных размеров.

• Датчики
Датчики

необходимы для контроля температуры, давления, потоков жидкости и газа, а также электрических токов и напряжений.

• Аккумулятор

Топливный элемент не начинает вырабатывать электроэнергию, пока не приблизится к своей рабочей точке. Во время пуска батареи необходимы для питания всех электронных систем управления, а также насосов, компрессоров и нагревателей, необходимых для доведения стека до его рабочей точки.

Аккумулятор также обеспечивает независимое стабильное напряжение для питания системной электроники.

Из-за медленных динамических характеристик топливного элемента может также потребоваться, чтобы аккумулятор обеспечивал временное повышение мощности, когда топливный элемент подвергается внезапной нагрузке.

• Системы безопасности

Системы безопасности должны обеспечивать отказоустойчивую работу, защищая систему от недопустимых условий и злоупотреблений и отключая ее при необходимости.

• Система управления

Система не могла бы функционировать без комплексных электронных систем управления для управления всеми перечисленными выше подсистемами.

Электрическая мощность

• Напряжение

Топливные элементы обычно генерируют около 0.От 6 до 0,9 В постоянного тока на элемент.

Из-за внутреннего импеданса и потерь внутри элемента выходное напряжение падает с увеличением тока.

Для обеспечения более высоких напряжений необходимо использовать несколько ячеек в стеке.

• Ток и мощность

Выходной ток отдельной ячейки прямо пропорционален площади электродов.

Как и в случае с батареями, эффективная площадь электродов и, следовательно, их потенциальная токонесущая способность могут быть увеличены без увеличения их физического размера за счет создания пористой поверхности и использования материалов с очень мелкими частицами.

Типичная выходная мощность составляет около 1 Вт / см. ² электродных пластин.

• Динамический отклик Топливные элементы

  PEM работают при относительно низких температурах около 80 ° C (176 ° F), что обеспечивает достаточно быстрое время прогрева (в настоящее время от 10 до 20 секунд) по сравнению с высокотемпературными топливными элементами, которым требуется до 30 минут, чтобы достичь своей Рабочая Температура.Это особенно важно для автомобильных приложений, требующих быстрого запуска.

• КПД

  Поскольку преобразование энергии в топливных элементах осуществляется в одном процессе прямого преобразования, возможен гораздо более высокий КПД, чем при традиционном производстве электроэнергии с помощью паровых турбин, которые включают три процесса преобразования энергии.

  Топливные элементы	Химическая энергия ⇒ Электроэнергия
  Паротурбинные генераторы	Химическая энергия ⇒ Тепло ⇒ Механическая энергия ⇒ Электрическая энергия

  Поскольку преобразование энергии в топливных элементах является химическим процессом, максимальная эффективность не определяется законом Карно, который применяется к тепловым двигателям.Энергия, выделяемая при химической реакции, определяется изменением свободной энергии Гиббса. Для химических реакций, происходящих в топливных элементах, максимальный теоретический КПД составляет более 85%, что в два-три раза превышает типичный КПД теплового двигателя.

  Как отмечалось выше, выходное напряжение топливного элемента падает по мере увеличения тока, потребляемого от него. В конечном итоге КПД падает по мере увеличения мощности, потребляемой от элемента, так что КПД почти пропорционален выходному напряжению.

  Типичный КПД топливного элемента, работающего при 0,7 В, составляет около 50%. Это означает, что 50% энергии вводимого водорода преобразуется в электрическую энергию; в то время как остальные 50% будут рассеиваться в виде тепла или потеряны из-за неполного окисления внутри ячеек.

  Отработанное тепло от процесса выработки электроэнергии на топливных элементах можно использовать в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) для обеспечения местного отопления и, таким образом, повышения общей эффективности использования энергии водородного топлива.Это особенно привлекательно для высокотемпературных систем топливных элементов.

  См. Сравнительную таблицу топливных элементов

Варианты топливных элементов

Ряд конструкций топливных элементов, использующих варианты основного химического состава, был разработан для удовлетворения различных критериев конструкции или эксплуатации, таких как менее дорогая конструкция, более эффективное использование топлива, более быстрый запуск или использование более удобного или менее дорогого топлива.Более высокая выходная мощность может быть достигнута за счет работы при высоких температурах, использования катализаторов для ускорения химической реакции топливных элементов и использования электродов с большей площадью поверхности. Более низкие рабочие температуры можно получить, используя более дорогие катализаторы.

Основные варианты следующие:

• ПЭМ
Топливные элементы с протонообменной мембраной

имеют базовую конструкцию, описанную выше.Они обладают хорошим сочетанием эффективности, выходной мощности и низкой рабочей температуры, что делает их предпочтительными для автомобильных приложений. Возможна эффективность преобразования до 60%. Хотя максимальная рабочая температура большинства конструкций составляет 100 ° C, чтобы избежать повреждения хрупкой мембраны, некоторые изделия были разработаны для работы при температурах до 120 ° C.

• AFC
В щелочных топливных элементах

используются водные электролиты гидроксида калия.Они были одними из первых практических ячеек и использовались в космической программе Аполлона, производя питьевую воду, а также электроэнергию. Хотя они недороги по сравнению с ячейками PEM, возможен КПД 60%. К сожалению, они имеют низкую выходную мощность, и катализатор подвержен отравлению углекислым газом в атмосфере.

• PAFC
Топливные элементы с фосфорно-кислотным электролитом

работают при высоких температурах около 220 ° C, обеспечивая высокую мощность в мегаватт или более, но при относительно низком КПД около 35%.Следствием низкой эффективности преобразования является высокое тепловыделение в батарее топливных элементов. Из-за высокой рабочей температуры потери эффективности могут быть уменьшены за счет использования отходящего тепла в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

• MCFC

Топливные элементы с расплавленным карбонатом работают при еще более высоких температурах от 650 ° C до 1000 ° C. Их уникальный химический состав требует, чтобы углекислый газ из воздуха был частью процесса.Достигнутый КПД составляет 45% или более, а выходная мощность более 1 МВт является типичной для приложений электроснабжения. Из-за их высокой рабочей температуры они могут работать непосредственно с углеводородными газами, которые реформируются внутри ячейки, и не требуют отдельной подачи водорода. Высокая температура также означает, что необходимы менее дорогие катализаторы, но расплавленный электролит предъявляет особые требования к защитным мерам и мерам защиты от коррозии.

• ТОТЭ
Твердооксидные топливные элементы

также работают при тех же или более высоких температурах, что и элементы с расплавленным карбонатом, с теми же преимуществами топлива и катализатора.Керамический электролит, который может нагреваться до 800 градусов Цельсия, имеет то преимущество, что электролит остается твердым. Они могут обеспечивать мощность в несколько мегаватт, но при более низком КПД около 35%.

• DMFC
Топливные элементы с прямым метанолом

похожи на элементы PEM, но вместо чистого водорода они используют недорогое углеводородное жидкое топливо, что позволяет избежать как проблем с подачей водорода, так и необходимости в установке местного (или бортового) риформинга.Они работают при низких температурах от 50 ° C до 100 ° C, однако выходная мощность невысока, что ограничивает их возможное применение портативным электронным оборудованием.

См. Также сравнительную таблицу топливных элементов для получения более подробной информации.

Стоимость системы / кВт

Следует проявлять осторожность при сравнении затрат, поскольку одни оценки могут относиться только к батарее топливных элементов, в то время как другие могут включать весь баланс затрат на установку, что может удвоить затраты.

Банкноты

1. Приведенные ниже затраты представляют собой расчетные затраты на производство большого объема. Фактические затраты на небольшие объемы будут значительно выше.
2. Указанные затраты включают остаток на заводе, но не затраты на конкретные приложения.
3. Затраты для конечного пользователя могут в несколько раз превышать производственные затраты, чтобы учесть техническую поддержку, затраты на гарантийное обслуживание, затраты на распространение и маржу прибыли по всей цепочке поставок от производителя до точки продаж.

Большие системы, обеспечивающие распределенное производство электроэнергии, значительно дороже небольших систем, используемых в автомобильных приложениях. В настоящее время затраты составляют около 650 долларов за кВт.

Альянс по преобразованию твердотельной энергии (SECA), созданный Министерством энергетики США для содействия разработке экологически чистых твердооксидных топливных элементов (SOFC), имеет целевую стоимость модуля твердотельного топливного элемента не более 400 долларов США за кВт. .По этой цене топливные элементы будут конкурировать с газовыми турбинами и дизельными генераторами.

Электростанции

Automotive ICE в настоящее время стоят около 25-35 долларов за кВт. Система топливных элементов должна стоить менее 50 долларов за кВт, чтобы технология была конкурентоспособной. В настоящее время затраты составляют около 70 долларов США за кВт.

Проект FreedomCAR в США установил целевые затраты на топливные элементы PEM на уровне 45 долл. США / кВт к 2010 г. и 30 долл. США / кВт к 2015 г.

Расходы на топливо

Реальная стоимость энергии, поставляемой топливными элементами, очень сильно зависит от стоимости потребляемого водорода, а это, в свою очередь, зависит от того, как водород был произведен.

До недавнего времени паровая конверсия природного газа была самым дешевым способом производства водорода, но производственные затраты росли вместе со стоимостью топлива.В настоящее время, если предположить, что стоимость природного газа составляет около 10 долларов США за M Btu (Миллион Btu), общая стоимость водорода на производственном предприятии составит около 5 долларов США / кг. К этой сумме прибавятся расходы на герметизацию газа и его доставку на заправочные станции.

Производство водорода путем электролиза из электричества ветряных электростанций в настоящее время является самым дешевым способом производства газа.

В настоящее время розничная цена сжатого водорода от несубсидируемого поставщика составляет около 100 долларов за кг плюс аренда баллона.

Практическое применение систем топливных элементов

Автомобильные приложения

• Технологии

Хотя концептуальные модели и прототипы, которые включают в себя установки для риформинга водорода, были произведены, в самых последних предложениях используется газообразный водород в контейнерах высокого давления.Из общего числа новых автомобилей на топливных элементах, объявленных в 2005 и 2006 годах, только 1 автомобиль не использовал стек PEM со сжатым водородом.

Технология

PEM является предпочтительной из-за ее высокой выходной мощности, относительно низкой стоимости, низкой рабочей температуры и быстрого запуска.

• Динамические характеристики

Переходное время отклика для увеличения выходной мощности с 10% номинальной мощности до 90% составляет 2 секунды.

Время холодного пуска для достижения 50% номинальной мощности составляет около 20 секунд.

Медленное реагирование на требования к мощности может быть опасным в автомобильном приложении. По этой причине мощность топливных элементов должна быть увеличена за счет энергии, хранящейся в батарее или суперконденсаторах.

Обратите внимание, что, поскольку топливный элемент не может накапливать энергию, он не может улавливать энергию, рекуперированную от рекуперативного торможения.Это еще одна причина, по которой автомобильные топливные элементы должны включать аккумуляторы.

• Расход топлива

Текущая производительность легковых автомобилей составляет от 40 до 60 миль на кг водорода.

• Срок службы

Целевой срок службы топливных элементов согласно DOE EERE в США составляет 5000 часов

В настоящее время продемонстрированный срок службы в 2000 часов является наилучшим из достигнутых.

• Подача топлива

Отсутствие распределительной сети было одним из многих факторов, которые препятствовали коммерческому применению водородной энергии для автомобильных применений, будь то в топливных элементах или путем сжигания ее в двигателе внутреннего сгорания. Помимо этого, некоторые считали, что перевозка водорода в контейнерах высокого давления представляет собой угрозу безопасности.По этой причине на борту было предложено производство водорода с использованием установок парового риформинга, и были разработаны прототипы систем. Уменьшение масштабов промышленных установок парового риформинга для создания надежных, недорогих, портативных систем оказалось очень трудным, и, к сожалению, стоимость установки риформинга, ее сложность и снижение веса перевесили преимущества ее отсутствия от потребности в водородной инфраструктуре. Использование риформинга в автомобильной промышленности похоже на то, как носить с собой собственный химический завод для питания топливных элементов автомобиля.

Кроме того, из-за выхлопного газа установки риформинга CO ₂ автомобиль больше не может называться автомобилем с нулевым выбросом (ZEV). Помимо соображений по связям с общественностью, в некоторых странах это может иметь налоговые последствия.

По этим причинам чистый водород является выбранным топливом для текущего поколения транспортных средств, работающих на водороде. Это означает, что автомобили должны перевозить тяжелые и громоздкие контейнеры для хранения водорода.Выбор стоит между емкостями высокого давления и криогенными емкостями. Из-за стоимости и сложности криогенного решения почти все автомобили на топливных элементах используют более экономичные контейнеры высокого давления. Для перевозки достаточного количества топлива на разумный диапазон от 200 до 300 миль требуется давление хранения от 35 МПа (5000 фунтов на квадратный дюйм) до 70 МПа (10000 фунтов на квадратный дюйм) в зависимости от приоритетов конструкции транспортного средства (ускорение, скорость, вес, полезная нагрузка и т. Д.).

Заправочные станции должны обеспечивать подачу водорода при давлении 70 МПа, чтобы соответствовать требованиям хранения транспортного средства.

Распределенная электроэнергетика

Это приложение было предложено для использования в топливных элементах большой емкости.

таких установок нуждаются в инверторах для обеспечения переменного тока, синхронизированного с национальной сетью.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Химическая реакция, протекающая в топливном элементе, представляет собой экзотермическое каталитическое окисление.

Избыточное тепло, генерируемое в высокотемпературных топливных элементах, таких как SOFC, PAFC и MCFC, можно улавливать и использовать для нагрева воды в комбинированном применении тепла и электроэнергии (ТЭЦ), обеспечивая общий КПД системы 80% или более.

ТЭЦ — идеальный способ утилизации отработанного тепла от менее эффективных генераторов электроэнергии на топливных элементах.

Сжигание водорода в двигателе внутреннего сгорания

С небольшими изменениями можно заменить бензин (бензин) на водород в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания.Это дает главное преимущество использования хорошо известной, испытанной и испытанной технологии электростанций для получения преимуществ от производства электроэнергии с нулевым уровнем выбросов, избегая при этом всех технологических рисков, осложнений и затрат, связанных с топливными элементами.

• Автомобильные приложения

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, уже можно найти в тяговых (автомобильных) приложениях без выбросов.Самые ранние экземпляры были построены в Германии Рудольфом Эрреном в 1920-х годах.

Автомобильные двигатели также могут быть спроектированы для работы на нескольких видах топлива с возможностью использования сжиженного нефтяного газа (СНГ) или других видов топлива, а также водорода. Это может быть привлекательным вариантом для первых пользователей водородной технологии, обеспечивающим спокойствие в длительных поездках, пока не будет установлена ​​хорошо развитая сеть заправочных станций.

• Производство электроэнергии

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, также могут использоваться с роторными генераторами для выработки электроэнергии, как показано на следующей диаграмме:

Хотя это вполне жизнеспособные, небольшие автономные генераторы электроэнергии, работающие на водороде, с большей вероятностью будут использовать топливные элементы.

Подача водородного топлива

Независимо от того, является ли топливный элемент статическим или портативным, как в автомобилях, для поддержания электрической мощности требуется постоянная подача водорода. Есть два варианта: построить инфраструктуру распределения водорода с заправочными станциями, на которых можно будет разливать газ, или произвести газ там, где он будет использоваться.

Водород производится при низком давлении, но его необходимо транспортировать и распределять при высоком давлении, чтобы уменьшить его объем до приемлемого уровня.Для приложений, поставляемых с центрального объекта по производству водорода, затраты на сжатие, транспортировку и хранение водородного топлива значительно увеличивают стоимость производства газа.

• Производство водорода
  Около 85% мирового водорода производится на установках парового риформинга, из которых около 5% образуется путем электролиза. Он также производится как побочный продукт при производстве гидроксида натрия (каустической соды) и множеством других способов.Производство водорода путем электролиза в больших объемах нецелесообразно с экономической точки зрения, и электролиз также не подходит для производства водорода на борту в автомобильной промышленности, для которой предпочтительным решением являются установки парового риформинга. Электролиз, однако, часто находит применение в качестве метода улавливания избыточной энергии в форме накопленного водорода от электростанций, таких как ветряные и солнечные системы, которые имеют нерегулярный режим генерации или нагрузки.
• Электролиз

Электролизеры генерируют водород, расщепляя молекулу воды H ₂ O на составляющие ее элементы водород и кислород в процессе, обратном электрохимическому действию, которое имеет место в топливном элементе.Электрический ток пропускается через воду между двумя электродами. Водород образуется на катоде, подключенном к отрицательной клемме напряжения питания, а кислород образуется на аноде, подключенном к положительной клемме напряжения питания.

Скорость образования водорода прямо пропорциональна току, протекающему между электродами. (Закон Фарадея)

Теплотворная способность водорода составляет около 39 кВтч / кг.Принимая во внимание неэффективность процесса, для производства 1 кг водорода требуется более 50 кВтч электроэнергии.

Эффективность преобразования электролизеров, используемых для создания водорода, составляет от 60% до 80% в зависимости от силы тока и материалов, используемых для электролитов и электродов.

Когда основной целью электролизера является хранение излишков электроэнергии, генерируемой солнечной или ветровой энергией, для последующего использования в топливном элементе, «эффективность туда и обратно» процесса хранения (электричество в водород и обратно в электричество) составляет от 30%. и 50%.Это невыгодно по сравнению с аккумуляторным хранением, где эффективность приема-передачи, известная как кулоновская эффективность на языке аккумулятора, составляет более 90% для свинцово-кислотной батареи и даже больше для литиевой батареи.

• Паровой риформер

Если запас водорода не доступен, автономные и портативные системы должны генерировать собственное водородное топливо на месте.Обычно это достигается с использованием процесса парового риформинга.

Паровой риформинг — это метод производства водорода из углеводородного (ископаемого) топлива, такого как природный газ, который состоит в основном из метана (CH ₄ ) и метанола (CH ₃ OH), которые реагируют с паром при высоких температурах выше катализатор.Атомы водорода удаляются как из молекул углеводорода, так и из воды в двухстадийной реакции с образованием газообразного водорода, выходящего из двуокиси углерода, парникового газа, в качестве нежелательного побочного продукта процесса.

Этот процесс используется на крупных промышленных предприятиях, но уменьшенные версии с трудом были разработаны для использования в автомобилях. Помимо проблем масштаба, автомобильные приложения имеют дополнительное требование, что они должны работать в режиме следования за нагрузкой, тогда как промышленные предприятия, как правило, работают в фиксированной рабочей точке, которая соответствует максимальной эффективности.

На первой стадии процесса риформинга молекула углеводорода расщепляется с водой или без воды для высвобождения содержащегося в ней водорода, однако в то же время это также приводит к высвобождению окиси углерода (CO), который, помимо того, что является ядовитым для человека, также отравляет большинство топливных элементов. Таким образом, реакция риформинга включает в себя вторую стадию, известную как реакция конверсии водяного газа, в которой монооксид углерода превращается в менее проблемный диоксид углерода (CO ₂ ) при одновременном генерировании большего количества водорода.

Химические реакции риформинга метанола и метана являются типичными и резюмируются следующим образом:

• риформинг метанола

Метанол и вода испаряются и проходят через нагретую камеру, содержащую катализатор, где молекулы метанола расщепляются на монооксид углерода и газообразный водород (H ₂ ) в следующей реакции.

CH ₃ OH ⇒ CO + 2H ₂

Эта реакция сильно эндотермична и протекает при высоком давлении и температуре выше 800 ° C, хотя использование новых катализаторов снижает эту рабочую температуру. Это дорогостоящий процесс из-за высоких температур и давления.

В то же время происходит вторая реакция, реакция конверсии водяного газа, в которой молекула водяного пара расщепляется, позволяя кислороду из воды соединяться с монооксидом углерода, который был получен в первой реакции, с образованием диоксида углерода высвобождает больше свободного газообразного водорода.

H ₂ O + CO ⇒ CO ₂ + H ₂

Эта вторая реакция экзотермична и очень важна, поскольку удаляет окись углерода, которая отравляет большинство топливных элементов.

Полная реакция риформинга метанола может быть представлена ​​как.

CH ₃ OH + H ₂ O ⇒ CO ₂ + 3H ₂

• Реформирование природного газа

Природный газ, состоящий в основном из метана (CH ₄ ), обрабатывается с использованием реакции, аналогичной реакции образования метанола.Метан в природном газе реагирует с водяным паром с образованием окиси углерода и водорода.

CH ₄ + H ₂ O ⇒ CO + 3H ₂

За этим следует реакция конверсии водяного газа, как и при риформинге метанола.

H ₂ O + CO ⇒ CO ₂ + H ₂

Таким образом, общая реакция риформинга метана:

CH ₄ + 2H ₂ O ⇒ CO ₂ + 4H ₂

Общая термодинамическая эффективность процесса составляет от 70% до 85% в зависимости от чистоты водородного продукта.

Бензин также используется в качестве продукта риформинга, но выход из установок риформинга бензина требует специальной фильтрации и очистки для удаления различных добавок и примесей в топливе.

• Проблемы дизайна

Реформирование не так просто, как кажется, особенно когда водород предназначен для потребления в топливных элементах.

• Загрязнение

Сырье, природный газ и метанол, используемые для установки риформинга, происходят из природных источников, в состав которых могут входить различные загрязнители, такие как сера, все из которых остаются после процесса риформинга, и все они могут нанести вред работе топливного элемента. Незавершенные реакции также оставляют некоторые исходные углеводороды, воду и монооксид углерода вместе с неизбежным диоксидом углерода, которые загрязняют выходящий водород.

Все эти загрязнители должны быть удалены перед использованием водорода.

• Температура

Из-за высоких температур необходимо использовать дорогостоящие материалы в конструкции риформинга и катализаторов, которые в нем используются.

Вторая проблема возникает из-за того, что длительное время, необходимое риформинг-установке для достижения своей повышенной рабочей температуры, приводит к длительной задержке запуска, прежде чем топливный элемент сможет начать подавать энергию.Это неприемлемо для современных автомобильных приложений, и в настоящее время ведется большая работа по поиску способов сокращения этой задержки.

• Хранение водорода

Водород в жидкой форме очень легкий, с плотностью 77 кг / м ³ , что чуть более одной десятой плотности бензина / бензина (702 кг / м ³ ), но его теплотворная способность 39,4 кВтч / кг в три раза больше. бензина (13 кВтч / кг).

В газообразной форме Водород имеет небольшой вес, но очень большой объем при атмосферном давлении. График ниже, однако, показывает, что плотность энергии водорода резко падает, когда он переходит из жидкого состояния в газообразное. Для достижения такой же плотности энергии в газообразном состоянии, как и в жидком, давление газа должно быть увеличено с 0,5 мегапаскалей (72,5 фунтов на квадратный дюйм) до 200 мегапаскалей (29000 фунтов на квадратный дюйм). Обратите внимание на логарифмический масштаб.

Чтобы найти подходящие контейнеры для хранения водорода, необходимо решить серьезные проблемы проектирования.Из-за его физических свойств требования к хранению в виде жидкости радикально отличаются от требований к хранению в виде газа. Для автомобильных приложений, где применяются ограничения по пространству и весу, эти проблемы могут быть острыми. Независимо от того, хранится ли он в виде жидкости или газа, локализация также является проблемой, поскольку молекулы водорода очень маленькие и легкие, они обладают высокой диффузией и имеют тенденцию проникать через свой контейнер даже при низком давлении.

Утечка также может быть потенциальной опасностью на заправочных станциях, когда топливные баки заправляются при очень высоком давлении через механические заправочные муфты.Никто не хочет катастрофы Гинденберга, когда он заправляет свой автомобиль.

• Хранение в жидкой форме

Жидкий водород можно хранить при низком давлении (0,5 МПа) (72,5 фунта на кв. Дюйм), но его необходимо хранить в холодном состоянии.

Контуры охлаждения и изоляция необходимы, чтобы поддерживать температуру кипения ниже 20,3 ° K (-252,9 ° C)

Вес бака и системы охлаждения для хранения 10 кг водорода составляет около 150 кг.

Также необходимо затратить много энергии, чтобы снизить температуру и поддерживать ее на этом уровне.

• Хранение в газообразном состоянии

Из-за его низкой плотности в газообразной форме даже при очень высоком давлении водород не является привлекательной средой для хранения с точки зрения объема.

Для использования в автомобилях место для хранения топлива ограничено.Чтобы в контейнере разумного размера было достаточно водорода, чтобы обеспечить движение транспортного средства на расстояние около 300 миль между регулярными заправками, газ должен храниться под очень высоким давлением. Для этого требуются дорогостоящие защитные сосуды из углеродного волокна или кевлара, способные выдерживать очень высокое давление до 70 МПа (около 10 000 фунтов на квадратный дюйм).

Сжатие газа также требует энергии для питания компрессора, и более высокое рабочее давление будет означать, что на этапе сжатия будет потеряно больше энергии.

Текущее поколение баллонов для хранения может хранить около 7,5% водорода по весу, а сосуды с более высоким давлением, хранящие более 10% по весу, находятся в стадии разработки.

• Хранение в гидридной форме

Определенные гидриды металлов обладают способностью поглощать водород, как губка, и выделять его позже, либо при комнатной температуре, либо при нагревании.Эти сплавы такие же, как те, которые используются в никель-металлогидридных батареях.

Практические системы способны поглощать водород до 1% или 2% от своего веса или до 5% или более при более высоких температурах. Удаление тепла запускает процесс адсорбции. Добавление тепла меняет химическую реакцию и заставляет атомы водорода преобразовываться в молекулы водорода. Система работает при относительно низком давлении около 2,4 МПа (350 фунтов на квадратный дюйм), обеспечивая безопасный метод хранения и доставки водорода при постоянном давлении.

Однако вполне вероятно, что использование металлогидрида для хранения водорода будет ограничено небольшими приложениями из-за низкой плотности энергии, а также стоимости и времени, необходимых для заполнения и извлечения водорода.

К сожалению, характеристики гидридов металлов со временем ухудшаются из-за примесей в газе, загрязняющих активную поверхность сплава.

Водородная энергия и окружающая среда — источник зеленой энергии ???

Более 85% мировых запасов водорода получают из ископаемого топлива с использованием процесса парового риформинга на крупных промышленных предприятиях или в уменьшенных небольших портативных установках.Все эти установки производят одинаковое количество углекислого газа в качестве нежелательного побочного продукта процесса, как если бы топливо было просто сожжено.

В то время как топливные элементы, используемые в электромобилях с нулевым выбросом (ZEV), могут производить только воду в выхлопной трубе, риформеры, питающие топливный элемент, создают столько же парникового газа, сколько двигатель внутреннего сгорания.

Даже относительно небольшое количество водорода, производимого при электролизе, в основном получают при сжигании ископаемого топлива, поскольку таким образом вырабатывается более двух третей мировой электроэнергии.См. Таблицу расхода топлива. Единственный способ снизить потребление ископаемого топлива, используемого для производства 5% водорода, вырабатываемого электрическими средствами, — это ввод в эксплуатацию большего количества атомных электростанций и возобновляемых источников энергии.

No related posts.