Устройство, принцип работы и дальнейшие перспективы водородных двигателей

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

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

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. 

Принципы водородных двигателей

Водородные двигатели прорабатываются, в основном, по двум принципам.

Первый принцип  водородного двигателя состоит в  традиционном применении двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с применением водорода как топлива, по аналогии  газа — пропана. Однако такой вид топлива в настоящее время еще опасен в связи с вероятностью утечки водорода. Молекулы водорода малы и могут диффундировать сквозь металл.

Водородный двигатель на основе ДВС состоит из самого модифицированного двигателя внутреннего сгорания, коробки передач, трансмиссии и системы хранения водорода. Помимо модификации ДВС, основным отличием является система хранения водорода, которая намного больше, тяжелее и сложнее, чем бензиновый или дизельный бак.

Кроме того, также необходимо хранить большое количество водорода на борту транспортного средства. Это невозможно с имеющимися в настоящее время системами хранения водорода, особенно в легковых автомобилях, из-за больших потребностей в пространстве любой системы хранения водорода.

Второй принцип — работающие на топливных элементах,  представляющих собой  гальванические элементы в которых происходит  реакция водорода с кислородом, приводящая к получению  электричества.  У этого класса двигателей много достоинств, как высокий КПД, надежность, отсутствие выбросов. У такого класса двигателей имеется  основной недостаток,  из-за которого  нельзя пока получить массового применения  – недостаточно проработаны технологии изготовления и эксплуатации.

Транспортное средство приводится в движение электродвигателем (диапазон мощности обычно составляет около пиковая мощность 100 кВт), которая снабжается электроэнергией от системы топливных элементов (диапазон мощности чуть ниже 100 кВт) и, возможно, небольшой батареей (диапазон мощности до 40 кВт) .

Электродвигатели, используемые в современных электромобилях, в основном являются двигателями переменного тока. Таким образом, инвертор, преобразующий постоянный ток производится системой топливных элементов в переменный ток, необходим. Основным источником энергии является система топливных элементов, которая питается водородом. Для хранения необходимого количества водорода на борту транспортного средства необходима система хранения водорода. В настоящее время решением, выбранным почти всеми производителями оборудования, является композитная (металлические или пластиковые цилиндры, обернутые углеродным волокном).  Система хранения типа газообразного водорода с давлением хранения 700 бар обеспечивает достаточную дальность вождения. Эта система состоит из баллонов высокого давления, клапанов, датчиков  и трубопроводов. Наконец, все современные автомобили имеют на борту небольшую батарею, которая используется для хранения рекуперированной энергии торможения и обеспечения оптимальной работы системы топливных элементов.

Поэтому, пока еще основная часть автомобилей применяют традиционное топливо из сероводородов для своих двигателей внутреннего сгорания.  Количество автомобилей растет и по разным оценкам суммарная  мощность традиционных автомобилей в несколько раз превышает мощность всех действующих электростанций в мире.

Очевидно, что в ближайшее время замена ДВС на водородный двигатель будет медленной.

Почему россияне пока слабо выступали на мировом первенстве

До сих пор российские команды на международном соревновании не поднимались выше 16 место. Андрей Ларькин объясняет это тем, ранее российские команды были полностью инженерными и испытывали проблемы с пилотированием. Другой вариант команд – спортивные – наоборот, хорошо справлялся с конструкцией и пилотированием, но имел проблемы с электрохимией.

Сейчас же в российских команда есть и электрохимики, и спортсмены. В связи с этим Ларькин надеется на более высокий результат российских команд на мировом первенстве.

Почём сегодня объектное хранилище на 2 000 Гб? Предложения десятков поставщиков ― на ИТ-маркетплейсе Market.CNews

• Короткая ссылка
• Распечатать

Перспективы водородных энергетических систем

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2021 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council — Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

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.

Разновидности катализаторов

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот газ вместо бензина ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

• использующие в своей работе водород двигатели внутреннего сгорания;
• водородные топливные элементы, питающие электродвигатель.

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и смазочной жидкостью. А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также система зажигания требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять чистый бензин из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых аккумуляторов. Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают на отечественных авто «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

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

На территории Европы и Соединенных Штатов водородный автомобиль уже можно встретить. Однако они еще находятся в категории диковинки. И на сегодняшний день перспектив пока немного.

Самая главная причина того, что данный тип транспорта еще нескоро заполонит дороги всех стран, заключается в отсутствии производственных мощностей. Во-первых, необходимо наладить выработку водорода. Причем нужно достичь такого уровня, чтобы помимо экологичности это еще было и доступное большинству автомобилистов топливо. Помимо производства этого газа нужно наладить его транспортировку (хотя для этого можно спокойно воспользоваться магистралями, по которым транспортируется метан), а также оснастить много заправочных станций соответствующими терминалами.

Во-вторых, каждому автопроизводителю придется серьезно модернизировать производственные линии, что требует немалых вложений. В условиях нестабильной экономики из-за разразившейся всемирной эпидемии мало кто пойдет на такие риски.

Если посмотреть на темпы развития электротранспорта, то процесс популяризации проходил очень быстро. Однако причина популярности машин на электротяге – возможность экономить на топливе. И это зачастую первая причина, почему их покупают, а не ради сохранения окружающей среды. В случае с водородом сэкономить не получится (по крайней мере сейчас), потому что для его производства тратится намного больше энергоресурсов.

Проблемы эксплуатации ДВС

В настоящий момент водородный двигатель не может в полной мере заменить традиционные моторы для автомобиля. Понимая принцип его работы, нельзя забывать о факторе опасности вещества.

Автопроизводители не смогут поголовно оснащать свои машины мотором, работающим на водороде, пока не устранят ряд препятствий. Главным из них считается сложность получения самого газа. Плюс комплектующие стоят дорого, что в настоящий момент делает производство слишком затратным.

Также есть проблемы с обеспечением надлежащего хранения вещества. Ведь чтобы поддерживать газ в нужном состоянии, требуется постоянно поддерживать температуру на уровне около -253 градусов.

Самым простым способом, который используют для получения газа, является электролиз обычной воды. Для промышленных масштабов нужны огромные энергозатраты на электролиз. С целью повышения рентабельности речь заходит об использовании ядерной энергетики. Но риски слишком высокие, потому инженеры и учёные думают над тем, как отыскать достойную альтернативу.

Чтобы перевозить и хранить полученный газ, применяются очень дорогие материалы и специальные механизмы, обладающие повышенным качеством и соответствующей стоимостью.

В процессе эксплуатации есть и другие сложности и препятствия, среди которых стоит выделить следующие:

• Опасность взрыва. Если газ начнёт выходить из хранилища или просто из бака авто в условиях закрытого помещения, даже наличие небольшого источника энергии, такого как включённая лампочка в гараже, спровоцирует взрыв. А в случае нагретого воздуха ситуация становится ещё более опасной. Вещество обладает повышенной проницаемостью, что может спровоцировать попадание газа в коллектор выхлопной системы. В этой связи предпочтительнее для водорода использовать роторные двигатели;
• Хранение. Оно предусматривает применение больших ёмкостей со специальными системами, защищающими от улетучивания. Также требуется защита от механических повреждений. В случае с грузовиками и большими автобусами это не проблема. А вот применительно к легковым авто появляются сложности, поскольку под бак отводится большое количество кубометров;
• Негативное влияние и разрушение цилиндропоршневой группы. Это становится возможным, когда водород имеет высокую температуру и сталкивается с большими нагрузками. Страдает ЦПГ и смазка. Чтобы исключить эти проблемы, требуется специальный сплав и особые смазывающие компоненты, которые увеличивают стоимость изготовления водородных моторов. Отсюда и высокая цена самих автомобилей.

Проблем объективно много. Насколько они решаемые, говорить сложно. Хотя разработчики уверены, что изменить ситуацию в лучшую сторону возможно. И уже делаются большие шаги, подтверждающие подобные заявления.

Плюсы и минусы водородного топлива

Работа агрегата на таком виде топлива имеет свои преимущества и недостатки.

К плюсам относятся:

• продуктом сгорания водорода является водяной пар, то есть нет загрязнения окружающей среде;
• из-за своих свойств, водород вступает в реакцию быстрее, чем бензин и солярка;
• из-за повышенной детонационной устойчивости можно увеличить степень сжатия в цилиндрах по сравнению с обычными ДВС;
• при сгорании водорода теплоотдача в 2,5 раза выше, чем при сгорании бензиново-воздушной смеси;
• довольно широкий диапазон вступления в реакцию. Чтобы водород (Н2) и кислород (О2) вступили в реакцию, достаточного всего лишь 4% водорода в этой смеси. Благодаря быстрой скорости взаимодействия этих веществ, можно настраивать режимы работы мотора, изменяя количество подачи вещества в цилиндр.

Минусы:

• как уже отмечалось выше, водород — это очень летучее вещество, поэтому он проникает в микрощели, зазоры между соприкасающимися деталями;
• сплавы обычного ДВС подвергаются разрушению, поэтому для увеличения износостойкости при контактировании с водородом, требуется использовать детали из сплавов повышенной прочности;
• водород разрушает обычное моторное масло, поэтому ресурс двигателя при использовании такого смазывающего вещества, не большой;
• требуется хранить водород в сжатом или жидком агрегатном состоянии. Если открыть крышку топливного бака, водород улетучится;
• взрывоопасность.

О перспективе

Сможет ли водород в будущем стать альтернативой ископаемому топливу? Интересные подробности сообщает агентство euronews.

Замена бензина и дизельного топлива водородом позволит снизить выбросы CO2. К сожалению, сегодня в Европе лишь несколько сотен автомобилей ездят на водороде, отмечает агентство. Отличный пример показывает Дания. Это первая в мире страна с развитой инфраструктурой с десятком заправочных станций по всей территории.

Существует амбициозный проект – в ближайшие годы построить в Европе полсотни водородных заправок. А число машин с водородными топливными элементами должно удвоиться.

ТЭ имеют целый ряд преимуществ перед традиционными ДВС. Прежде всего, энергетическая установка работает мягко, ровно, бесшумно. А это комфорт! При этом водитель сохраняет все привычки, выработанные за рулем автомобиля с ДВС. Когда нужно, заезжает на заправку и через 3–5 минут продолжает путь, проезжая без остановки порядка 600 км.

Дело за малым – наладить производство водорода с помощью возобновляемых источников энергии. И такая технология уже существует. На заправочной станции в английском Шеффилде имеется установка для элекролиза. Ветряные генераторы вырабатывают энергию, и она тут же используется для получения водорода из воды методом электролиза.

Водород планируется получать за счет развития зеленой энергетики

И все же большая часть водорода сегодня добывается из ископаемого топлива. И научные исследования направлены на то, чтобы повысить эффективность электролизеров. И тогда водородное топливо можно получать «на месте», отказавшись от его доставки в автоцистернах.

Пока не решена проблема высокой стоимости – как топлива, так и самих водородных автомобилей. Однако эксперты надеются, что к 2025 году цены на машины с ТЭ и на водород будут сопоставимы с аналогичными показателями бензиновых и дизельных автомобилей.

И еще, любопытно: станут ли машины, работающие на водороде, конкурентами электромобилей, работающих от аккумулятора? Специалисты считают, что места на дорогах хватит всем экологически чистым автомобилям. Будем надеяться, что через десяток лет на европейских дорогах появятся сотни тысяч машин, работающих на водороде.

Использованы статьи автора, Александра Раменского и Геннадия Дунина, опубликованные в «АБС-авто»

Юрий Буцкий

Реактор

От площади электродов и их материала зависит количество получаемого объёма газа Брауна. Если в качестве электродов брать медные или железные пластины, то реактор не сможет работать продолжительное время по причине быстрого разрушения пластин.

Идеальным выглядит применение титановых листов. Однако их использование повышает затраты на сборку агрегата в несколько раз. Оптимальным считается применение пластин из высоколегированной нержавеющей стали. Металл этот доступен, его не составит труда приобрести. Также можно использовать отработавший своё бак от стиральной машины. Сложность составит только вырезание пластин нужного размера.

Интересные концепты гибридов

Автотехнологии постоянно совершенствуются, что позволяет автопроизводителям создавать диковинные концепт-кары. Мы решили отобрать следующие транспортные средства будущего:

1. LF-SA. Кар от «Лексус» характеризуется компактностью и регулируемым рулем. Приборная панель сворачивается, а широкоугольный монитор выполнен в форме голограммы. В двухдверном автомобиле смогут поместиться 4 пассажира, но задние кресла тесные. LF-SA
2. I3. Разработка городского электрокара от немецкого БМВ. Это хетчбэк с одной педалью, ускоряющей движение авто либо замедляющей его! Разгон до «сотни» занимает 4 секунды, а выброс выхлопных газов — нулевой. I3
3. EXP 10 Speed 6. Это роскошная машина от «Бентли», укомплектованная сенсорным LCD-дисплеем. Отдельные детали салона авто напечатаны с помощью 3D-принтера. EXP 10 Speed 6
4. F 015. Настоящий автомобиль будущего от «Мерседес». Пассажиры будут сидеть напротив друг друга, а руль в салоне отсутствует! Машиной управляет искусственный интеллект. Если на пути F 015 будет пешеход, «Мерседес» остановится и через динамики предложит ему не прекращать движения! F 015
5. KWID. Машина французского производителя Рено выделяется оригинальным дизайном, наличием дрона и водительским местом посередине салона! Если владельцу авто хочется узнать, что творится далеко впереди на трассе, он может запустить электронного разведчика. KWID