Вот уже несколько лет идея автомобильных двигателей на водороде продвигается в разных странах мира. Где-то идет активная динамика развития, где-то пассивная, но она продолжается в ближайшее время, наверное, в каждом большом городе мы увидим автомобили с обозначением «Н2» в маркировке. На самом деле это не новая технология, но новый виток развития она получила относительно недавно. Отметим, что это тоже электромобиль, но для выработки электрической энергии в нем используются специальные водородные элементы.
Содержание- Производство водорода
- Хранение водорода
- История водородного двигателя
- Как работает водородный двигатель
- Водородный двигатель
- Принцип работы водородного двигателя
- Водородный двигатель внутреннего сгорания
- Двигатель на водородных топливных элементах
- Преимущества водородного двигателя
- Недостатки водородного двигателя
- Водородный двигатель: перспективы на будущее
Производство водорода
Непосредственно сам водород, как газ, известен давно, но в чистом виде в природе не встречается. Его можно получить в виде летучих соединений исключительно химическим или электрохимическим путем путем разложения на кислород и водород из воды или специальных растворов. Для привода водородного двигателя требуется промышленное производство этого газа в чистом виде. В настоящее время в промышленных масштабах для производственных и биологических исследований используется не менее 6 методов:
- конверсия метана (природного газа) с паром;
- газификация угля;
- частичное окисление;
- биологический метод;
- пиролизное разложение;
- разложение воды электричеством.
Все эти известные способы остаются дорогими, в чем основная проблема с получением газа, а не возить его с собой в баллонах. Вероятно, появятся новые технологии, направленные на снижение затрат, но все это еще в будущем.
Хранение водорода
За все время существования концепта для автомобиля было создано два типа водородных двигателей, а точнее способ использования водорода для вождения автомобиля:
- Используется двигатель внутреннего сгорания, который был модифицирован для работы на газе и смесях.
- Привод представляет собой электродвигатель, получающий энергию от водородного топливного элемента.
Первый тип требует опасного водородного топлива, поскольку газ хранится под высоким давлением в толстостенных баллонах и при сверхнизких температурах. Это дорого и требует использования определенных технологий. Другой тип работает на топливных элементах, которые не нужно заполнять водородом в виде газа. Применяются вода и растворы с большим количеством гидроксогрупп, которые расщепляются до водорода, используемого для производства электроэнергии. Водород для автомобиля представлен по-разному, потому единой концепции пока нет. Некоторые хранят его в баллонах и предлагают возить с собой в машине, что равносильно взрывчатке. Одна лишь детонация такого баллона произведет гораздо больше летальных последствий и разрушений, чем баллон с пропаном.
История создания водородного двигателя
Первые водородные машины, а именно двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, были изобретены еще в 1806 году Франсуа Исааком де Ривасом. Для этих целей он использовал простейший в то время метод — разложение воды электричеством. Следующий более активный этап в развитии водородных двигателей начался с началом Великой Отечественной войны в 1941 году. Советский инженер Б.И. Шелищев модифицировал двигатель ГАЗ-АА для работы на водороде в блокадном Ленинграде. Следующий прорыв в водородной энергетике произошел в 1980-х годах. Водородные установки были разработаны в США, СССР, Японии, Канаде и Германии. Для питания двигателя внутреннего сгорания использовался чистый водород и смеси с другими газами. В 1982 году был разработан первый в мире водородный топливный элемент, который заряжал аккумулятор мощностью 5 кВт. В 2000 году Toyota начала разработку автомобилей, использующих водород в качестве топлива для коммерческого сегмента.
Сейчас они продолжают разрабатывать и производить современные водородные автомобили по технологии FCEV. Они больше не используют водород в баллонах, что сопряжено с большой опасностью. Для привода автомобиля используются водородные топливные элементы различных типов.
Как работает водородный двигатель
Принцип работы двигателя, работающего на водороде, а именно газе или смеси газов, аналогичен классическому двигателю внутреннего сгорания. Только вместо топливной смеси бензина или пропан-бутана в цилиндры подается смесь водорода и кислорода. Отличительной особенностью такой установки является то, что при сгорании смеси выделяется вода, которая разъедает все металлические детали.
Наиболее перспективными являются двигатели на водородных топливных элементах. Под действием специальных катализаторов и на некоторых материалах реакция водорода и кислорода, взятых из воздуха, приводит к возникновению электрического тока. Он заряжает аккумулятор и приводит в движение двигатель. На самом деле это не водородный автомобиль, а электромобиль, который получает энергию от специальных водородных топливных элементов.
Устройство водородного двигателя
Одним из самых известных серийных водородных двигателей Toyota является 4JM. Силовая установка размещена на автомобиле Mirai. Это уже полноценная серийная версия транспортного средства, для движения которого используется водород. Технология новая и опасная, ведь в этой машине до сих пор используется водород в виде газа, который можно заправлять на заправках и возить с собой нужно в двух баллонах.
Установка состоит из:
- электрический двигатель;
- блок управления питанием или преобразователь частоты;
- батареи топливных элементов;
- водородные баллоны, которые трудно назвать водородным баком;
- NiMH аккумуляторы для хранения энергии, вырабатываемой в результате реакции.
Принцип работы водородного двигателя
Чтобы понять, как работает водородный двигатель, нужно понять его конструкцию. Существует три типа технологий разработки экологически чистых автомобилей:
- С двигателями внутреннего сгорания на водороде.
- С водородными топливными элементами.
- С химическими генераторами водорода.
Третий тип не получил широкого распространения, но при этом водитель мог заправлять машину обычной питьевой водой вместо опасного водорода. Именно такую концепцию предложил советский инженер для нового вида транспорта.
Водородный двигатель внутреннего сгорания
Первым был изобретен автомобиль на водороде с двигателем внутреннего сгорания.
Обратите внимание: Какие машины у Анастасии Решетовой: фото.
И не надо было его изобретать. Был взят обычный бензиновый двигатель внутреннего сгорания, который был немного доработан для работы на водороде и смесях с ним. Сложность технологии заключается в том, что узлы двигателя должны быть изготовлены из материалов, устойчивых к высокотемпературной коррозии. По конструкции такая модель проще автомобиля на водородных топливных элементах, но все равно приходится возить с собой в машине опасные баллоны, где водород тоже должен храниться при низких температурах.
Двигатель на водородных топливных элементах
Принцип работы двигателя на водородном топливе FCEV основан на процессе выработки электроэнергии в специальных ячейках, которая затем используется для привода электродвигателя. Это специальные компоненты с отводами для водорода и кислорода. Идея использования топливных элементов стала хорошей альтернативой электролизу, ведь такая система имеет более высокий КПД, что является важным критерием.
Водородная ячейка состоит из протонообменной мембраны. С правой стороны водородного топливного элемента находится платиновый катализатор, за которым следует катод. Его структура позволяет пропускать газ для реакции. Также имеется вход для кислорода из воздуха и выход для пара и непрореагировавшего воздуха. С левой стороны находится анод, пропускающий газ, и вход для водорода, и выход для отработавшего топлива. На аноде атомы расщепляются на электроны и протоны. На катоде кислород соединяется с протонами и электронами из внешней цепи, что сопровождается образованием электронов для питания двигателя автомобиля на топливных элементах.
Плюсы водородного двигателя
Автомобили на водороде имеют множество преимуществ, которые следует рассматривать исключительно с экологической точки зрения. Автомобиль действительно не выделяет при эксплуатации опасных соединений и других вредных веществ, способных нанести ущерб окружающей среде и всему живому. Вне зависимости от технологии, при сгорании или соединении молекул образуется вода и пар, которые можно использовать для питья, но пить из трубы автомобиля конечно никто не собирается, но это факт.
Кроме того, к преимуществам автомобилей на водородных топливных элементах можно отнести абсолютно бесшумную работу. Устройство вырабатывает энергию в полной тишине. Конечно, если взять современный хороший двигатель внутреннего сгорания и качественную шумоизоляцию моторного отсека, то и работу двигателя услышать сложно. Что касается экологии, то да, водородный двигатель намного безопаснее, но и класс Евро-6, уже внедренный в Европе, также полностью безопасен для окружающей среды. Как показывают исследования, автомобили больше загрязняют окружающую среду изношенными шинами, а после эксплуатации в большом количестве попадают на свалки.
Топливные элементы сложно назвать простыми, как и всю установку, но все же при оснащении электродвигателем система получается проще, чем двигатель внутреннего сгорания. Сложность заключается только в хранении водорода и производстве дорогих топливных элементов, которые уже выпускаются серийно, а цена с каждым годом будет снижаться. Именно по этой причине у водородных автомобилей есть перспектива разработки и широкого представления публике во всем мире.
Минусы водородного двигателя
Заметным недостатком водородных автомобилей является сам газ. Во всех современных решениях, которые продолжают развиваться, необходимо носить баллоны. Проблема в том, что для безопасности баллоны должны иметь очень толстые стенки или постоянно охлаждаться до отрицательных температур. Если такой автомобиль попадет в аварию и произойдет разгерметизация цилиндра, произойдет мгновенное зажигание при наличии искры в зоне. К счастью, производители научились делать емкости из прочных материалов, которые не горят и не создают искры при ударе. При этом машина оснащена множеством защит и аварийными клапанами для выпуска газа.
Недостаток еще и в том, что не так много станций, где можно заправлять баллоны водородом. Кроме того, еще не придуманы единые нормы перевозки и хранения опасного газа, который легко воспламеняется при наличии искры. Учитывая, что технология все еще развивается, есть все основания полагать, что она будет продолжать совершенствоваться. Остается надеяться, что в городах повсеместно появятся водородные заправки, а все производители автомобилей будут устанавливать стандартные ячейки, чтобы их можно было быстро заменить, так как они тоже изнашиваются в процессе эксплуатации такого автомобиля.
Водородный двигатель: дальнейшие перспективы
Как показывает практика, водородный транспорт продолжает развиваться, хотя и с некоторыми паузами. Все больше брендов предлагают свои разработки и новые модели автомобилей с водородными системами. Совершенный и безопасный водородный FCEV — это хорошее будущее для всего человечества, но над безопасностью предстоит еще много работы, поскольку водород еще опаснее природного газа. Он горит при более высоких температурах и мгновенно воспламеняется. Несмотря на это, водородные автомобили становятся безопаснее, но впереди еще много работы.
Что касается России, то уже есть утвержденный план развития водородной энергетики в промышленных масштабах для автомобилей и других целей. Но сам процесс получения газа используется во многих лабораториях, в том числе и в промышленных масштабах. Проблема в том, что это пока дорого и энергоемко. Некоторые компании в РФ проводят исследования и даже придумывают безопасные способы хранения газа в виде компаундов, но разработки пока не получили широкого распространения и не имеют конкретной практической цели.
Больше интересных статей здесь: Советы.
Источник статьи: Как работает водородный двигатель, и какие у него перспективы.