Как работает водородный двигатель на автомобиле: что это, как работает, схема, фото, безопасность, — Много Курсов

Содержание

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

Сделай репост и информация будет всегда под рукой ✅

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:

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.
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.
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.

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.

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:

Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
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.

Уже попробовал

Проголосовало: 2

Сделай репост и информация будет всегда под рукой ✅

Как работает водородный двигатель на автомобиле

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

Немного истории

Риваз и его машина

Фото GM Electrovan

А что значит водородное топливо на самом деле?

Что такое водородное топливо?

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

Водород для топлива добывают следующими способами:

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.

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.
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.

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?

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Как выглядит батарея в электрокаре

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.

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).

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.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Где заправляют водородные автомобили?

Автозаправки бывают 3 типов:

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

Список автомобилей на водородном топливе

Honda Clarity

Toyota Mirai

Ford Airstream

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Pininfarina h4 Speed

BMW Hydrogen 7

Hyundai Nexo

Grove Obsidian

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

Видео: Автогиганты бьют по ТЕСЛА: ВОДОРОДНЫЕ автомобили будущего!

Сколько раз прочитали статью:
944

Есть свое мнение или вопрос по теме статьи? Напиши свой комментарий ниже!

Как работают водородные автомобили | HowStuffWorks

Автомобиль будущего здесь сегодня. Конечно, вы еще не можете купить его; но если вы живете в Калифорнии, вы можете арендовать один. Он не использует бензин и не загрязняет воздух. Фактически, он производит пар вместо выхлопа. Так в чем же загадочное топливо? Водород — самый простой и распространенный элемент во вселенной. И некоторые люди думают, что через 20-30 лет мы все будем водить эти водородные, экономичные автомобили.

Хотя автомобили на водородном топливе обладают качеством научной фантастики, идея на самом деле не нова. На самом деле, технология использования водорода для производства энергии существует с первой половины 19-го века — это дольше, чем автомобили. Новым является то, что вы можете увидеть на дороге водородный автомобиль с паром, выходящим из выхлопной трубы вместо дурно пахнущих газов. В настоящее время существует несколько водородных автомобилей, но большинство из них — концепт-кары.Эти экологичные машины для вождения включают Chevrolet Equinox, BMW 745h и Honda FCX, которая в настоящее время доступна для аренды в Калифорнии.

Что делает возможной водородную машину, так это устройство под названием , топливный элемент , который преобразует водород в электричество, выделяя только тепло и воду в качестве побочных продуктов. Поскольку это экологически чистый, водород кажется идеальным топливом для 21-го века. Многие люди в правительстве и автомобильной промышленности в восторге от его потенциала.Водородные автомобили обладают потенциалом экономии топлива и дают надежду на экологичное, экологичное вождение. Но все еще есть много проблем, которые необходимо преодолеть, и на вопросы, на которые необходимо ответить, прежде чем водород станет топливом выбора для достаточного количества людей, чтобы сделать большую разницу в нашем нынешнем использовании ископаемого топлива. Например, где мы возьмем водород? Насколько дорогими будут эти экономичные автомобили? Сможете ли вы найти водородную заправочную станцию, чтобы пополнить свой бак? И, пожалуй, самое главное, что топливо в качестве топлива действительно так экологически чист, как кажется?

Мы рассмотрим эти вопросы на следующих страницах, но мы можем дать вам один быстрый ответ прямо сейчас: если только вы не проживаете в очень специфических частях страны и не имеете карманов с наличными деньгами, не ждите водород автомобиль на подъездной дороге в течение следующего десятилетия.

Как работает двигатель?

Вы уже знаете, что завести автомобиль так же просто, как повернуть ключ, но задумывались ли вы когда-нибудь, что на самом деле происходит под капотом?

Когда ваше тело нуждается в топливе, вы кормите его пищей. Когда вашему автомобилю нужно топливо, вы «кормите» его бензином. Точно так же, как ваше тело превращает пищу в энергию, автомобильный двигатель превращает газ в движение. Некоторые более новые автомобили, известные как гибриды, также используют электричество от батарей, чтобы помочь двигать транспортное средство.

Процесс преобразования бензина в движение называется «внутренним сгоранием».«Двигатели внутреннего сгорания используют небольшие контролируемые взрывы, чтобы генерировать мощность, необходимую для перемещения вашего автомобиля во всех местах, куда ему нужно ехать.

Если вы создадите взрыв в крошечном замкнутом пространстве, таком как поршень в двигателе, в качестве расширяющегося газа выделяется огромное количество энергии. Типичный автомобильный двигатель создает такие взрывы сотни раз в минуту. Двигатель использует энергию и использует ее для движения вашего автомобиля.

Взрывы заставляют поршни в двигателе двигаться. Когда энергия от первого взрыва почти закончилась, происходит другой взрыв.Это заставляет поршни двигаться снова. Цикл продолжается снова и снова, давая машине мощность, необходимую для движения.

Автомобильные двигатели используют четырехтактный цикл сгорания. Четыре такта — впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. Удары повторяются снова и снова, генерируя энергию. Давайте подробнее рассмотрим, что происходит во время каждой фазы цикла сгорания.

Впуск: Во время цикла впуска впускной клапан открывается, и поршень движется вниз. Это начинает цикл с подачи воздуха и газа в двигатель.

Сжатие: Когда начинается цикл сжатия, поршень движется вверх и выталкивает воздух и газ в меньшее пространство. Меньшее пространство означает более мощный взрыв.

Сжигание: Затем свеча зажигания создает искру, которая зажигает и взрывает газ. Сила взрыва заставляет поршень отступить.

Выхлоп: Во время последней части цикла выпускной клапан открывается для выпуска отработанного газа, образовавшегося в результате взрыва.Этот газ подается в каталитический нейтрализатор, где он очищается, а затем через глушитель, прежде чем покинуть автомобиль через выхлопную трубу.

Как работает гибридный автомобиль?

Мы все знакомы с автомобилями с бензиновым двигателем, и большинство людей слышали об электромобилях или видели их. Гибридный автомобиль — это сочетание двух. Гибридное транспортное средство содержит части как бензиновых, так и электрических транспортных средств в попытке получить лучшее из обоих миров.

Лучший способ понять преимущества гибридного транспортного средства — это подумать об автомобиле, едущем по шоссе с заявленной скоростью на ровной поверхности.В этом случае двигатель делает три вещи:

Это преодоления сопротивления качению в трансмиссии.
Это преодоления сопротивления воздуха .
Это силовых принадлежностей , таких как генератор, насос гидроусилителя руля и кондиционер.

Двигателю может потребоваться не более 10 или 20 лошадиных сил (л.с.), чтобы выдержать эту нагрузку. Причина, по которой автомобили имеют 100- или 200-сильные двигатели, заключается в том, чтобы справляться с ускорением от стоячей остановки, а также для прохождения и подъема в гору.Мы используем максимальный рейтинг HP только для 1% нашего времени вождения. В остальное время мы переносим вес и трение гораздо большего двигателя, который тратит много энергии.

В традиционном гибридном автомобиле у вас есть полный электромобиль. Он включает в себя электродвигатель для обеспечения всей мощности колес, а также аккумуляторы для снабжения двигателя электричеством. Тогда у вас есть совершенно отдельный бензиновый двигатель , питающий генератор .Двигатель очень маленький — возможно, от 10 до 20 лошадиных сил — и он рассчитан на работу только на одной скорости для максимальной эффективности. Цель этого небольшого, эффективного двигателя — обеспечить достаточную мощность для автомобиля на крейсерской скорости. Во время ускорения батареи обеспечивают необходимую дополнительную мощность. Когда автомобиль тормозит или стоит на месте, аккумуляторы заряжаются. Этот гибридный автомобиль по сути является электромобилем со встроенным зарядным устройством для большей дальности. Преимущество состоит в том, что маленький, эффективный бензиновый двигатель получает большой пробег.

Галерея изображений гибридных автомобилей

Единственная проблема с традиционным гибридным автомобилем — это вес . Автомобиль должен нести вес электродвигателя, генератора, бензинового двигателя и аккумуляторов. Вам не нужно столько батарей, сколько в чистом электромобиле, чтобы сэкономить вес, но полноразмерный электродвигатель и генератор мощностью 10 киловатт могут весить несколько сотен фунтов.

Honda Insight, в частности, пытается достичь компромисса.Он использует больший бензиновый двигатель, который подключен непосредственно к трансмиссии, а также тонкий электродвигатель, прикрепленный к двигателю. Бензиновый двигатель обеспечивает большую часть мощности автомобиля, а электродвигатель добавляет дополнительную мощность, необходимую для ускорения. Поскольку электродвигатель может работать как генератор во время торможения и должен работать только часть времени, он очень легкий. Недостаток этого подхода заключается в том, что бензиновый двигатель должен работать на разных скоростях, что снижает его эффективность.

Эти ссылки помогут вам узнать больше:

Как работает водородный двигатель на автомобиле?

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
Бесшумная работа двигателя;
Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Водородные двигатели

Откуда появились водородные ДВС
Устройство и особенности работы
Разновидности водородных моторов
Моторы на основе водородных элементов
Водородные ДВС
Плюсы и минусы водородных двигателей

У обычного ДВС есть масса недостатков, поэтому специалисты уже давно ведут поиски достойной альтернативы ему. Появление электродвигателей в свое время было гигантским шагом вперед, но техника постоянно развивается, и в 1997 году появились еще и водородные двигатели. С их помощью удастся решить проблемы, связанные с ценами на топливо и экологической безопасностью.

Откуда появились водородные ДВС

В 70-х в мире разразился энергетический кризис, что подвигло ученых заняться поиском альтернативы бензину. Одним из первых на водороде стал ездить внедорожник Тойота, но в конце 90-х он так и не пошел в серию. Исследования в этой области продолжались. Кроме Тойота успехов добились Хендай и Хонда.

Но энергетический кризис закончился, а вместе с ним пропал и интерес к моторам, работающим на альтернативном топливе. Сейчас проблема снова стала актуальной, экологи опять заставляют обратить на нее внимание. Проводить практические эксперименты с водородом подталкивает повышение цен на топливо. Активнее всего к созданию двигателей на водороде подходят BMW, Honda и Ford. В 2016 году был выпущен первый поезд, двигатель которого работает на h3.

Устройство и особенности работы

Проблема бензиновых двигателей заключается в том, что топливо горит долго и занимает пространство КС несколько ранее, чем поршень принимает нижнее положение. Принцип работы водородного двигателя таков: быстрая реакция h3 сдвигает время впрыска ближе ко времени возвращения поршня к крайнему нижнему положению. При этом давление в структуре подачи топлива повышается незначительно.

Водородный мотор может образовать внутреннюю систему питания, когда смесь образуется без участия воздуха. Проще говоря, после очередного такта сжатия в КС образуется пар, затем он следует через радиатор, где, конденсируясь, опять становится водой. Но устройство может быть реализовано только на автомобиле с электролизером, который выделяет водород из воды, чтобы тот снова смог взаимодействовать с кислородом. Сейчас добиться этого почти невозможно, ведь для стабилизации работы моторов применяется техническое масло, а, испаряясь, оно становится составной частью выхлопа. Поэтому бесперебойный запуск мотора невозможен без воздуха.

Разновидности водородных моторов

При рассмотрении особенностей работы моторов на h3 обязательно учитывают, что агрегаты бывают 2-х видов:

моторы с водородными элементами;
водородные ДВС.

Моторы на основе водородных элементов

Устройство работает на базе свинцового аккумулятора, вот только КПД топливного элемента тут значительно выше и порой превышает 45%. Система питания такова: в корпусе топливного элемента находится мембрана, проводящая лишь протоны. Ею разделяются анодные и катодные камеры. Анодная камера заполняется водородом, а в катодная — кислородом. Все элементы покрыты катализаторами из платины.

Под воздействием катализатора протоны соединяются с электродами, проходя через мембрану к катоду. Возникает реакция, способствующая появлению воды. Анодные электроны переходят в электроцепь, подключенную к мотору. В результате получается электроток, питающий силовой агрегат.

Водородное топливо сейчас применяется на машинах марки Нива. Энергоустановки для них были созданы уральскими инженерами. Заряда вполне хватает на 200 км. Также подобные двигатели стоят и на Лада 111 — там используется агрегат Антел-2, мощности которого хватает уже на 350 км. Так как в установках используются драгоценные металлы, стоят они достаточно дорого. Это сказывается и на конечной цене автомобилей.

Водородные ДВС

Эти силовые агрегаты сильно напоминают распространенные сейчас двигатели, работающие на газе, поэтому совершить переход с пропана на водород достаточно легко. Потребуется провести небольшие перенастройки двигателя. КПД таких «движков» немного ниже, если сравнивать с ДВС на водородных элементах. Но этот недостаток компенсируется тем, что для выработки нужного количества энергии потребуется меньше водорода.

Использование водорода в обычном ДВС невозможно по ряду причин:

Степень сжатия слишком высока. h3 вступит в реакцию с моторным маслом.
Выпускной коллектор раскаляется. Даже незначительная утечка может привести к воспламенению.

Именно поэтому для разработки конструкций на основе h3 используют только роторные моторы. Здесь риск возгорания сводится к минимуму из-за расстояния между коллекторами.

Замечательный пример — BMW 750hL. Жидкий водород находится в баке, и его вполне хватает на 300 км. Технология такова, что когда водород заканчивается, автоматика переключает автомобиль на бензин.

Плюсы и минусы водородных двигателей

К преимуществам можно отнести следующее:

Экологическая чистота. Если водородные «движки» будут использоваться повсеместно, экология сможет вздохнуть свободнее. Парниковый эффект точно будет заметно уменьшен. Сотрудники компании Тойота доказали, что выхлопы автомобилей с водородными моторами безопасны для здоровья.
Доступность. Фактор дефицита точно будет отсутствовать, так как водород можно получить даже из сточной воды.
Возможность применения в разных типах моторов. Водородное топливо может использоваться как в ДВС, так и в моторах, вырабатывающих электрический ток.

К достоинствам водородных силовых агрегатов также относят:

Небольшой уровень шума.
Увеличенную мощность.
Значительный запас хода.
Небольшой расход топлива.
Простоту обслуживания.

А теперь о недостатках водородных двигателей:

Сложность получения водорода в чистом виде. Для его извлечения необходимо затратить много энергии. Сейчас такое производство нерентабельно.
Дефицит АЗС. Если сравнивать с АЗС, в которых продается обычное топливо, оснащение станций для заправки машин водородным топливом будет стоить очень дорого. Из-за этого на строительство водородных АЗС никто не решается.
Необходимость модернизации ДВС. Чтобы применять Н2 как основное топливо, придется внести некоторые изменения в конструкцию ДВС. Без изменений мощность мотора может упасть на 25%. Кроме того, механизм не будет служить долго.

Автомобили на водороде сегодня называют «машинами будущего», которые не станут наносить вред окружающей среде. И пусть пока такие авто дороговаты и встречаются редко, со временем их цена обязательно упадет, а популярность вырастет.

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

Устройство водородного двигателя

Одним из альтернативных моторов двигателям внутреннего сгорания, работающим на бензине и дизельном топливе является водородный двигатель. Пока есть топливо из «черного золота», альтернативные ДВС массово не усовершенствуются, но они являются перспективным вариантом на будущее.

Устройство водородного двигателя.
Водород как топливо.
Устройство и принцип работы.
Модификации — гибриды.
Эксплуатация водородного мотора.
Вывод.
Видео.

Водородный двигатель

Водородный транспорт — это такое транспортное средство, которое имеет в своей конструкции силовой агрегат, работающий на топливе водорода. Такие ТС могу быть или с ДВС, или с газотурбинным приводом, или водородными элементами.

Вопрос: можно ли использовать водород в обычном ДВС? Ответ: если доработать некоторые элементы, то да.

Но, при использовании в качестве топлива водород, вместо бензина, мощность мотора снизится до 65-82%. А, если немного доработать такой агрегат, например, изменить систему зажигания, то мощность возрастет до 117%. Обычные бензиновые ДВС без доработок плохо пригодны для работы на водороде, потому что, водород очень летуч, он может попадать в коллектор и там воспламеняться. Поэтому, наиболее подходящий мотор для работы на водороде — это роторный. В роторном двигателе расстояние между впускным и выпускным коллектором больше.

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.

Именно по этим характеристикам водорода обычный дизельный или бензиновый ДВС не пригоден для работы на водороде.

Устройство и принцип работы

Главным отличием водородного двигателя от бензинового или дизельного в подаче топлива в агрегат и в способе возгорания смеси (водород+кислород).

Работа кривошипно-шатунного механизма (КШМ) такой же, как в обычном ДВС, но скорость движения и впрыска топлива отличается. Это связано с тем, что бензиновая или дизельная смесь воспламеняется дольше, поэтому горючая смесь подается в камеру сгорания намного раньше, чем поршень начнет подниматься в верхнюю мертвую точку (ВМТ). В то время как, водород должен подаваться в камеру сгорания когда поршень уже начинает движение в нижнюю мертвую точку (НМТ). Повышенного давления в топливной системе не требуется, достаточно давление в 4 атмосфер (0,4 МПа).

Модификации — гибриды

Рассмотрим мотор, который сконструировал В.С. Кащеев.

По его разработки, двигатель кроме впускного клапана (6), через который подается воздух и выпускного клапана (7) для вывода выхлопных газов, в головке блока цилиндров (ГБЦ) есть специальный клапан для подачи водорода (9) и свечи зажигания (10), которые расположены в предкамере (8). Последняя располагается выше уровня поршня, когда он находится в нижней мертвой точке.

После того, как поршень достигнет НМТ (в камеру сгорания уже затянулся воздух через впускные клапана), подается водород и происходит воспламенение смеси. В это время уже открываются выпускные клапана. Так как разница давления в камере сгорания и за клапанами большая, при открытии выпускных клапанов, отработанные газы улетают и образуется вакуум и поршень притягивается в ВМТ и за счет импульса (обратно действующая сила) поршень перемещается обратно в НМТ.

Гибридный двигатель — это промежуточное звено между топливным мотором, работающем на продуктах нефти и на чистом водороде. Гибридные автомобили могут эксплуатироваться как на бензине/дизеле, так и на водороде.

Модифицированная топливная система

За основу берется обычный бензиновый двигатель. Топливо остается то же — бензин. Но, через впускной клапан подается воздух с водородом. Топливно-воздушная смесь такого состава повышает увеличить степень сжатия и уменьшить токсичность выхлопных вредных веществ.

Трудности использования ДВС на водороде

Получение водородного топлива (Н2) — это трудоемкий процесс. К тому же, перевозка и хранение такого топлива также стоит дорого. Чтобы хранить водород в жидком состоянии, в емкости должна поддерживаться постоянная очень низкая температура -253 С. Сам по себе процесс получения воды несложный, проводя электролиз воды, получается чистый водород.

Вывод

Еще не скоро обновится мировой парк машин и поэтому, такие новинки будут еще много раз модифицироваться, улучшаться пока их стоимость и эксплуатация не станут доступны основному населению стран.

Водородные двигатели на свои модели устанавливали такие марки:

БМВ — BMW 750i Hydrogen.
Фольксваген.
Тойота — Toyota Mirai.
Дженерал Моторс.
Даймлер.
Хонда — Honda FSX.
Мазда и другие.

Видео

Ответ по изобретению экспериментальному варианту водородного двигателя.

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и чистым экологически вариантом с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Технологии не стоят на месте и водородный двигатель вполне может заменить современные бензиновые агрегаты

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:

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.

О выгодах применения

У водородного карбюраторного мотора горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Для получения энергии нужна будет только вода

Выгодные аспекты

бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что снижает шумы и вибрацию при работе агрегата;
здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и преобразователи. А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Как работает водородный двигатель на автомобиле. Перспективы использования водородного двигателя. Тенденция создания заправочных водородных станций

С экранов телевизоров нам заявляют, что количество нефти стремительно уменьшается, и вскоре бензиновые машины отойдут в далёкое прошлое. Вот только это не совсем верно.

Действительно, количество разведанных запасов нефти не очень велико. В зависимости от степени потребления их может хватить на период от 50 до 200 лет. Но в этой статистике не учитываются до сих пор неразведанные места нефтедобычи.

В действительности нефти на нашей планете более чем достаточно. Другой вопрос, что сложность её добычи постоянно возрастает, а значит, растёт и цена. К тому же нельзя списывать со счетов экологический фактор. Выхлопные газы сильно загрязняют среду и с этим нужно что-то делать.

Современная наука создала множество альтернативных источников энергии вплоть до двигателя ядерного распада в ваших машинах. Но большинство из этих технологий пока что представляют собой концепты без возможности реального применения. По крайней мере, так было до недавнего времени.

С каждым годом машиностроительные компании выпускают всё больше машин, работающих на альтернативных источниках питания. Одним из самых эффективных решений в данном контексте является водородный двигатель от бренда «Тойота». Он позволяет полностью забыть про бензин, делая автомобиль экологичным и дешёвым транспортом.

Водородные двигатели

Типы водородных двигателей и их описание

Наука непрерывно развивается. Каждый день придумываются новые концепты. Но только лучшие из них воплощаются в жизнь. Сейчас существует всего два типа водородных двигателей, которые могут быть рентабельными и производительными.

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.

На данный момент тяжело сказать, какая из двух технологий по созданию водородных двигателей победит. У каждой есть свои плюсы и минусы. В любом случае работы в данном направлении не прекращаются. Поэтому, вполне возможно, что к 2030 году машину с водородным двигателем можно будет купить в любом автосалоне.

Принцип работы

Водородный двигатель работает на основе принципа электролиза. Данный процесс происходит в воде под воздействием специального катализатора. В результате выделяется гидроген. Его химическая формула следующая — ННО. Газ не обладает взрывоопасными качествами.

Важно! Внутри специальных ёмкостей газ смешивается с топливно-воздушной смесью.

В состав генератора входит электролизер и резервуар. За процесс генерации газа отвечает модулятор тока. Для обеспечения наилучших результатов в инжекторных водородных двигателях устанавливается оптимизатор. Это устройство отвечает за регулирование соотношения топливно-воздушной смеси и газа Брауна.

Характеристики катализаторов

Катализаторы, используемые для создания нужной реакции в водородном двигателе, могут быть трёх видов:

Цилиндрические банки. Это самая простая конструкция, работающая на довольно примитивной системе управления. Производительность водородного двигателя, работающего с данным катализатором, не превышает 0,7 литра газа в минуту. Такие системы могут использоваться на машинах с водородным двигателем объёмом до полутора литра. Увеличение числа банок позволяет превысить данный лимит.
Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
Открытые пластины или сухой катализатор. Данная система рассчитана на длительный срок работы. Производительность колеблется в диапазоне от одного до двух литров газа в минуту. Открытое расположение обеспечивает максимально эффективное охлаждение.

Эффективность водородных двигателей с каждым годом растёт. Сейчас начинают вводиться в эксплуатации гибридные устройства, функционирующие на водороде и бензине. В свою очередь, конструкторы не прекращают искать наиболее эффективной модели катализатора, обеспечивающей ещё большую производительность.

Водородный двигатель своими руками

Генератор

Чтобы создать эффективный водородный двигатель для автомобиля своими руками, нужно начать с генератора. Самый простой самодельный генератор — это герметичная ёмкость с жидкостью, в которую погружаются электроды. Для такого устройства достаточно источника питания в 12 В.

Штуцер устанавливается на крышке конструкции. Он отводит смесь водорода с кислородом. Собственно, это и есть основа генератора для водородного двигателя, которая подключается к ДВС.

Чтобы создать полноценную систему также понадобится дополнительный накопитель и аккумулятор. В качестве корпуса лучше всего использовать водопроводный фильтр или же можно купить специальную установку. В последней применяются цилиндрические электроды повышенной производительности.

Как видите, выделить нужный газ для реакции не так-то уж и сложно. Намного сложнее произвести его в нужном для водородного двигателя количестве. Чтоб повысить эффективность необходимо использовать электроды из меди. В крайнем случае подойдёт и нержавейка.

В ходе реакции ток должен подаваться с разной силой. Поэтому без электронного блока не обойтись. К тому же в резервуаре всегда должно быть определённое количество воды, чтобы реакция проходила в нормальных условиях. Система автоматической подпитки в водородном двигателе решает эту проблему. Интенсивность электролиза обеспечивает достаточное количество соли.

Важно! Если вода дистиллированная, электролиза не будет вовсе.

Чтобы сделать воду для водородного двигателя необходимо взять 10 литров жидкости и добавить столовую ложку гидроксида.

Устройство водородного двигателя

В первую очередь нужно позаботиться о дополнительных резервуарах и трубопроводе. Водородный двигатель нуждается в датчике уровня воды, который устанавливается в середине крышки. Это предотвратит ложное срабатывание при движении вверх-вниз. Именно он будет давать команду системе автоматической подпитки, когда это понадобится.

Особую роль играет датчик давления. Он включается на показателе в 40 psi. Как только внутреннее давление достигнет показателя в 45 psi, подкачка отключается. При превышении 50 psi сработает предохранитель.

Предохранитель водородного двигателя должен состоять из двух частей: вентиля аварийного сброса и разрывного диска. Разрывной диск активируется, когда давление достигает 60 psi, не нанося никакого вреда системе.

Для отвода тепла нужно использовать самую холодную свечу. Не подходят свечи с платиновыми наконечниками. Платина — отличный катализатор для реакции водорода и кислорода.

Важно! Уделите особое внимание созданию вентиляции картера водородного двигателя.

Электрическая часть

Важную роль в электрической схеме водородного двигателя играет таймер 555. Он выполняет роль импульсного генератора. Мало того, с его помощью можно регулировать частоту и ширину импульса.

Важно! Таймер имеет три частотных диапазона. Сопротивление резисторов в пределах 100 Ом. Подключение происходит параллельно.

В плате водородного двигателя должно быть два импульсных таймера 555. При этом первый должен иметь конденсаторы большей ёмкости. Выход с ноги 3 поступает на второй генератор. Он его собственно и включает.

Третий выход второго таймера импульсного водородного генератора подключается к резисторам на 220 и 820 Ом. Транзистор усиливает ток до нужной величины. За его защиту отвечает диод 1N4007. Это обеспечивает нормальную работу всей системы.

Итоги

Сейчас водородный двигатель уже не плод фантазии учёных, а вполне реальная разработка, которую можно сделать самостоятельно. Конечно, по характеристикам подобный агрегат будет уступать заводской модели. Но экономия для ДВС всё равно будет заметной.

Водородные двигатели не просто помогают сократить потребление бензина, но и являются полностью безопасными для окружающей среды. Именно поэтому уже в первом квартале продажи водородного автомобиля марки «Тойота» побили все рекорды в Японии.

Автопроизводители делают все возможное для того, чтобы предложить нам экологически чистые транспортные средства. В это время мировые запасы нефти сокращаются, и опасения по поводу последствий глобального потепления остаются актуальными. В результате этого начали появляться интересные технологии производства двигателей. Сначала это были гибридные автомобили с бензиновыми и электрическими моторами. Потом появились полностью электрические автомобили, такие как Nissan Leaf и Tesla Model S. А последней новинкой в этом направлении стали водородные автомобили.

Водород – это доступный и возобновляемый источник энергии. На сегодняшний день существует лишь два таких серийных автомобиля от известных компаний – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. Мы решили рассказать вам о 10 вещах, которые вы должны знать о машинах, работающих на водороде.

1. Мощность = вода

У Hyundai ix35 Fuel Cell нет традиционного двигателя под капотом. Его место занимает топливный элемент, как следует из названия кроссовера. Он получает кислород из воздуха снаружи автомобиля и водород из бака в автомобиле, в результате чего происходит химическая реакция, необходимая для получения электродов, питающих автомобиль. Единственный производственный отход – h3O, то есть, вода.

Интересует мощность? Проверьте! Нулевые выбросы? Да, это реальность!

2. Они бесшумны… почти

Сядьте в автомобиль на водороде, включите зажигание (простым нажатием кнопки в случае с Hyundai), и вы не услышите ничего. Как и в электрокарах, в таких машинах отсутствует звук работы двигателя. Ну, почти отсутствует.

Если выйти из автомобиля, находясь на сравнительно тихой улице, вы услышите минимальный гул топливного элемента, который выполняет свою работу. В условиях городского трафика этот звук вообще невозможно заметить. Во время движения вы будете слышать только привычный шум колес. Нажимая педаль акселератора, вы ничего не услышите, но зато почувствуете реальную мощность.

3. Едь, едь, едь

Все это может казаться слишком хорошим, чтобы быть правдой. Может возникать вопрос о том, чем придётся пожертвовать владельцам водородных авто. Некоторые люди думают, что мощность – слабое место таких машин. Но стоит лишь нажать педаль газа и результат вас явно не разочарует.

Hyundai ix35 Fuel Cell – это переднеприводный кроссовер, поэтому разрабатывался он явно не для установки скоростных рекордов. Но нажатие на педаль акселератора оставляет исключительно положительные впечатления – тело начинает приятно прижиматься к сиденью.

4. Здесь тоже есть аккумулятор

Сам автомобиль работает на газе, но и аккумуляторная батарея в нем установлена. Она необходима для запуска и начального ускорения, так как есть небольшая (меньше 1 секунды) задержка между нажатием на педаль и получением необходимой отдачи топливного элемента.

Подзарядка аккумулятора происходит с помощью кинетической энергии, вырабатываемой при торможении.

5.Нет тахометра, только мощность

В водородных машинах нет двигателя внутреннего сгорания и традиционной коробки передач. Здесь используется нечто похожее на автоматическую трансмиссию. Поэтому вместо привычного для всех нас тахометра на панели приборов установлена шкала мощности.

Да, мощность! Чем сильнее вы нажимаете на педаль акселератора, тем выше будет подниматься стрелка на шкале мощности. Выглядит немного глупо, но забавно! Просто смотрите на эту часть приборного щитка, нажимая на педаль, и наслаждайтесь.

6. Автономность

Одна из самых существенных проблем, с которой сталкиваются владельцы электрокаров, заключается в ограниченном пробеге на одном заряде аккумуляторов. В этом плане автомобили с традиционными ДВС более конкурентоспособны.

Но в случае с водородными автомобилями все не так плохо. Вам не придётся делать много остановок для дозаправки во время длительных поездок. Так, Toyota Mirai сможет проехать без дозаправки около 500 километров, а вот Hyundai утверждает, что ix35 Fuel Cell преодолеет на одном баке водорода до 594 км. А это очень и очень хороший показатель для экологически чистого автомобиля!

7. Заправка – быстро, но очень проблематично

Процесс дозаправки происходит как и в обычных автомобилях – надо открыть лючок топливного бака и вставить специальный «пистолет» для заправки бака водородом. Примечательно, что заполнить бак можно лишь за 3-5 минут (в зависимости от объема), а это гораздо быстрее, чем даже самая быстрая зарядка электрического автомобиля (примерно полчаса).

Это более удобно, но есть одна очень и очень большая проблема: найти заправку, где продается водород сегодня практически нереально. Например, даже в Великобритании работает лишь 4 общественные станции, предназначенные для заправки водородных транспортных средств.

По прогнозам, в Великобритании количество таких заправок до 2020 года увеличится до 65, но даже в столь развитой стране это будет очень маленькая сеть. На сегодняшний день в Великобритании работает свыше 8000 обычных АЗС. Ни о каком сравнении не может быть и речи. Чего уж говорить о России…

8. Информационно-развлекательная система

Может казаться, что машина на водороде не может быть очень мощной, но не волнуйтесь – мощности вполне достаточно и для быстрого разгона, и для проигрывания ваших любимых аудио- и видеоматериалов.

Как и в обычном автомобиле, в салоне водородных “железных коней” есть полноценный набор современной электроники. Климат-контроль, синхронизация со смартфоном по Bluetooth, навигация, парковочные датчики, круиз-контроль, камера заднего вида – всё это можно установить в такую машину.

9. Только четыре колеса

Четыре колеса – стандартная характеристика каждого автомобиля. Но о нише для запаски придётся забыть, ведь всё пространство «съел» топливный бак. Емкость для хранения водорода занимает много места, поэтому придётся или учиться пользоваться ремонтным комплектом или возить в багажном отделении запаску в чехле. Скорее всего, оптимальным решением станет покупка подходящей «докатки».

10. Это не дешево… пока

Как уже упоминалось ранее, сегодня на рынке есть только два серийных автомобиля на водороде – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. В Европе цена «корейца» составляет примерно 76 000 долларов, а вот за модель Toyota придётся выложить примерно 57 500 долларов.

Это совсем недешево, особенно учитывая столь ограниченное количество мест, где можно заправить такой автомобиль. Hyundai отмечает, что планирует выпустить более компактную модель с такой силовой установкой. Скорее всего, она будет отличаться более доступной ценой. Да и другие автомобильные производители серьезно взялись за изучение новой технологии.

А что вы думаете о водородных машинах? Есть ли у них будущее в мире и на российских дорогах в частности?

Уже мало кто будет отрицать перспективу использовать водород, как топливо для автомобилей, хотя бы как топливо переходного периода. Ведь водород, во-первых является абсолютно экологически чистым топливом, а во-вторых его запасы практически неограничены, неисчерпаемы и возобновляемы. То есть водород можно добывать в любом месте, где есть мощные источники энергии. Многие из наших читателей безусловно будут нам возражать, говоря о том, что водород и водородное топливо, это совсем не то, к чему нужно стремиться. Отчасти согласимся с этим утверждением. Действительно, водород, это не совсем то топливо на котором хотелось бы видеть автомобили будущего. Но с другой стороны, при всем при этом, это очень большой шаг вперед и вполне достойная замена нынешнему бензину и тем более дизельному топливу. Но переход на водород задерживает прежде всего информационная подоплека. Ведь в учебниках и с экранов телевизоров, нам постоянно твердят, что водород, является взрывоопасным веществом, а главное для работы на водороде нужны специальные двигатели, которые нужно очень долго придумывать, испытывать и т.д. Мы не будем списывать все эти суждения на всемирные заговоры, так как большинство подобных рассуждений может быть связано с обычным невежеством, что в данном случае вполне простительно, так как найти достоверную информацию по этому поводу очень тяжело.

Поэтому нелишним будет повторить, что положительные опыты запуска обычных двигателей внутреннего сгорания без всяких переделок, были успешно проведены еще во время второй мировой войны, при защите Ленинграда.

Но одно дело, если это кто-то и где-то сделал, а другое дело это увидеть собственными глазами и иметь повторяемую и простую методику запуска обычных двигателей внутреннего сгорания на водороде без всякой переделки и доработки ДВС или, по крайней мере, с минимальными доработками двигателя. С удовольствием делимся с Вами положительным опытом запуска совершенно обычного двигателя внутреннего сгорания на таком же совершенно обычном промышленном водороде!

Ну вот видите!? Все можно проверить самостоятельно, без дорогущей лаборатории, миллионного финансирования и прочих «мешающих» факторов!

Ну а теперь давайте попробуем вместе ответить на следующие вопросы:

— Расход водорода по сравнению с бензином, как обстоят дела на практике?

— Негативные моменты использования водорода вместо топлива, есть ли такие?

— Оптимизация двигателя внутреннего сгорания для работы на водороде.

Мы будем очень рады услышать и тем более увидеть Ваши комментарии и видео. Но так как данная статья опубликована в разделе практика, то и комментарии и видео, мы ждем практически полезные, подтвержденные личным опытом, а не просто теоретические предположения.

Если вы найдете ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter. Спасибо.

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 .
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 H 2 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 H 2 , 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:

Моторы внутреннего сгорания;
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 H 2 O для последующей реакции с O 2 .

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 H 2 , а в катодную камеру — O 2 . 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:

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.

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 H 2 — 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:

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 H 2 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 H 2 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 H 2 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 H 2 . Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H 2 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 H 2 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 H 2 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 H 2 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 H 2 , 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:

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.

Если в статье есть видео и оно не проигрывается, выделите любое слово мышью, нажмите Ctrl+Enter, в появившееся окно введите любое слово и нажмите «ОТПРАВИТЬ». Спасибо.

Последний энергетический кризис прокатился по миру в далеком 2008 году, и может показаться, что проблем с количеством нефти уже не возникает: нормы выработки становятся больше, а цена – ниже. Но несмотря на это, никто не может отрицать того, что запасы топлива на планете уменьшаются. Автомобильные концерны оплачивают исследования и разработки альтернативных видов топлива. Двигатель Риваза, работающий на воде, появился еще в начале XIX века. Изобретение было представлено в 1806 году и являлось первым двигателем внутреннего сгорания, обогнав бензиновые и газовые двигатели. Разработчики долгое время пытались продолжить разработку в этом направлении, но для того, чтобы провести электролиз и получить необходимое количество энергии требовалось много электричества, что делало такой вид топлива нерентабельным. В конце концов, это в сочетании с взрывоопасностью и поставило точку на исследованиях.

Возврат к водороду произошел в конце 50-х гг. прошлого века: топливный элемент был установлен на тракторы в США. Через три года – в 1962 году – водородный двигатель появился в маленьких автомобилях для гольфа, еще через пять – в мотоциклах. Водород в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) может использоваться в двух вариантах: как гибридный двигатель и как топливный элемент.

Гибридный водородный двигатель

Гибридный водородный двигатель используется в качестве присадки в двигателях внутреннего сгорания к бензину или газу. При использовании водорода улучшается воспламеняемость топлива, но из-за высокой степени летучести газа повышается риск воспламенения. Но несмотря на этот недостаток, уменьшается коррозия металлов и вибрация. Для применения водорода нет необходимости в устройстве дополнительного топливного бака, водород вырабатывается из дистиллированной воды. При использовании водорода расстояние, которое можно проехать, увеличивается на 30 процентов. Безопасное использование газа возможно при низких температурах до -30⁰С и при относительно высоких до +30⁰С.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны. Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом. Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены. Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя. Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

есть ли у них будущее

Загрязнение атмосферы вызывает серьезную озабоченность общественности, организаций по защите окружающей среды. Реальной альтернативой ДВС являются водородные транспортные средства и автомобили на электротяге.

Электричество или водород

В настоящее время существует актуальная проблема, которая заключается в том, что 60% электроэнергии, потребляемой во всем мире, производится на тепловых электростанциях. Для того чтобы обеспечить возросший спрос на электричество, придется сжигать углеводороды в еще больших количествах. Даже при полной замене ДВС электродвигателями произойдет перераспределение вредных выбросов, уменьшение будет не столь значительным. Концентрация CO2 в воздухе снизится в мегаполисах, но возрастет в местах расположения ТЭС. Кроме того, автомобиль не единственный источник загрязнения окружающей среды: об электрических кораблях, самолетах пока не идет даже речи.

Водородная энергетика в этом смысле предпочтительнее. Добыча водорода сопровождается микроскопическими, по сравнению со сжиганием углеводородов, выбросами токсичных веществ. Выхлоп автомобиля на водороде на 99,99% состоит из чистого водяного пара, безвредного для окружающей среды. Но тут возникают другие проблемы, которые носят экономический, технологический, инфраструктурный характер.

Как устроен водородный двигатель

Разработаны два вида двигателей работающих на водороде:

обычный ДВС, где вместо бензина используется водород;
с применением топливных элементов.

В первом случае используется все тот же двигатель внутреннего сгорания. Инженерные решения направлены на оптимизацию горения смеси водорода с воздухом, разработку системы питания и снижение взрывоопасности. Данная концепция распространения не получила. Водород, который отличается высокой чистотой, в камере сгорания контактирует с маслом. Поэтому отработанные газы, пусть в значительно меньшем количестве, но содержат токсичные компоненты. Помимо этого, эксплуатация таких автомобилей небезопасна, требует значительных затрат.

При использовании топливных элементов транспортное средство, которое приводится в движение водородным двигателем, принципиально является тем же электромобилем. Разница в том, что на чистой электротяге батарея заряжается от внешних источников, а в водородном автомобиле электроэнергия непрерывно черпается из топливных элементов.

Они состоят из двух камер, одна из которых является анодом, а другая катодом. Между ними находится мембрана. Все компоненты покрыты дорогостоящими редкоземельными металлами, играющими роль катализатора. В результате реакции гидролиза водород, находящийся в анодной камере, соединяясь с кислородом из атмосферного воздуха в катоде, превращается в водяной пар. Процесс сопровождается выделением свободных электронов, которые поступают в электрическую сеть автомобиля.

Такая схема значительно эффективнее, практически отсутствуют вредные выхлопы. Львиная доля усилий конструкторов направлена на развитие двигателей на топливных элементах.

Преимущества и недостатки водородных двигателей

Достоинства и недостатки силовых агрегатов с топливными элементами вытекают из особенностей водорода как топлива, технического уровня двигателей. Факторы, считающиеся безоговорочным достоинствами:

простота конструкции, соответственно, надежность;
КПД, превышающий таковой у бензинового двигателя, но уступающий электрическому;
отсутствие каких-либо шумов;
почти полное отсутствие вредных выбросов;
высокая мощность двигателей;

приемлемая автономность: современные водородные автомобили способны преодолевать на одной заправке до 500 километров.

Среди недостатков можно выделить следующие:

увеличенная масса автомобиля;
взрывоопасность водорода, которая резко повышается при наличии неисправностей в двигателе;
высокая стоимость эксплуатации автомобиля.

Реальная эксплуатация показывает, что километр пути на автомобиле с водородным двигателем обходится минимум на 50% дороже, по сравнению с бензиновым ДВС. Расход водорода в несколько раз меньше, чем бензина, но все перекрывает его цена.

В этом кроется главная проблема водородной энергетики. В виде соединений с другими веществами запасы h3 на Земле безграничны, но в чистом виде его почти нет. Для его получения используется сложная технология. К этому добавляются проблемы хранения, транспортировки, создания инфраструктуры.

Перспективы водородных автомобилей

Для того чтобы полноценно осветить на этот вопрос, необходимо точно знать цель, с которой бензиновый двигатель пытаются заменить водородным. Если речь идет о внедрении технически более совершенного двигателя, то в этом ракурсе перспективы водородоавтомобилей почти такие же, как и у бензиновых агрегатов, немного выше. ДВС, как бы он не совершенствовался, имеет принципиальное ограничение: низкий коэффициент полезного действия.

Водородный двигатель в этом смысле предпочтительнее, но уступает электромобилям. С другой стороны, обогреть салон чистым электричеством, без снижения автономности, невозможно: запас на автомобиле ограничен. Водородные двигатели таких проблем не знают: при гидролизе выделяется тепло.

Если приоритетом является экология, здесь водородный двигатель имеет приоритет перед остальными. Но не все так однозначно. Современные технологии добычи водорода находятся на таком уровне развития, что дешевле всего получать h3 путем сжигания газа или угля. При этом выделяется углекислый газ, для борьбы с которым и внедряют водородный автомобиль. Экологически чистые способы добычи водорода не обладают достаточной производительностью, значительно повышают его стоимость, которая и так немаленькая.

Если удастся разработать экономичную, производительную, экологически чистую технологию добычи водорода, автомобиль на таком топливе, без сомнения, получит широкое распространение. По эксплуатационным характеристикам он уже сейчас превосходит ДВС.

По сравнению с электрическим у водородного двигателя существует ключевое преимущество: на заправку водородом потребуется около 5 минут, тогда как зарядка батареи на специальных станциях занимает несколько часов.

Запускаем обычный двигатель внутреннего сгорания на водороде. Как работает водородный автомобиль Toyota, BMW, ставить ли водородный генератор

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

Читайте в этой статье

История создания водородного двигателя

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.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или , 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.

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 , 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, 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.

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.

Двигатель на водородных топливных элементах

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.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания , 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.

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.

Подведем итоги

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.

Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось

Согласно историческим сведениям, первый двигатель ДВС был водородный, хотя порой использовался и светильный газ. Но потребовалось еще много лет для совершенствования подобного мотора, и только в 1859 году был построен первый самоходный экипаж, топливом для которого служили упомянутые газы. Так что можно сказать, что современный транспорт начинался с автомобиля с водородным двигателем. Хотя в дальнейшем он уступил свое место бензиновому.

Известно несколько случаев, когда при отсутствии привычного горючего, водородный генератор обеспечивал автомобиль топливом. Но тем не менее, при всех достоинствах такого источника энергии он не нашел широко применения, хотя многие автомобильные корпорации, та же самая Toyota, работают над возможностью создания автомобиля на водородном топливе, и надо сказать не без успеха.

О водородных двигателях

Известны несколько различных вариантов, каким может быть такой мотор и что может лежать в основе его работы.

Сгорание водорода

Это обычный ДВС, работающий непосредственно на водороде или на его смеси с бензином. В результате такой добавки улучшается сгорание смеси, увеличивается КПД мотора, уменьшается при сгорании содержание окиси углерода. Однако в конструкцию автомобиля приходится вводить бак для хранения водорода, причем жидкого. А это не добавляет места в багажнике и не повышает безопасность при столкновениях.

Такой принцип использования водорода реализует BMW, причем основной задачей компания считает возможность применения любого из видов топлива (бензин, водород). Уже созданы, и длительное время успешно эксплуатируются несколько образцов, работающих на подобном принципе. Правда, при этом в основном остаются недостатки, свойственные обычному автомобилю.

Топливные элементы

Другим способом использования водорода является топливный элемент. Его конструкция представлена на рисунке

В результате прохождения через анод и катод молекул водорода и кислорода и их взаимодействия, образуется вода и электрический ток. Если соединить нескольких таких элементов, то получается своеобразный генератор, обеспечивающий работу электромотора. По сути дела, подобным образом создается электрохимический генератор электрического тока.

Этот вариант построения автомобиля, использующего водород в качестве топлива, реализует Toyota. Она намеревается перейти от выпуска прототипов к серийному производству электромобилей на основе топливных элементов. По имеющимся сообщениям, водородный автомобиль Toyota должен серийно выпускаться с 2015 года.

А так ли хорош водород?

Считается, что самым основным достоинством автомобиля, использующего водород, является его экологичность. Общепринято, что при сгорании водорода вместо окиси углерода и других вредных веществ будет появляться вода, точнее водяной пар. Однако при этом используется не чистый кислород, а воздух, в состав которого входит азот. В результате в камере сгорания образуются окислы азота. А их воздействие на окружающую среду может быть гораздо хуже, чем обычных выхлопных газов.

Кроме того следует учесть, что попадание на горячие части ДВС водорода, может вызвать его воспламенение. Поэтому наиболее подходящим для использования подобного топлива является роторный двигатель, в котором газ поступает в холодную часть, а потом перегоняется в горячую.

Очень большая дискуссия вообще идет по вопросу о том, имеет ли право на существование водородный автомобиль. Здесь есть несколько проблем, без решения которых не имеет смысла говорить о будущем подобной техники. Необходимо отметить, что водород сначала надо получить, для чего требуется какая-то установка. Источником для его получения может служить вода или метан.

Вот тут и возникает одна из основных проблем.

Метан сам является хорошим энергоносителем, и подвергать его дополнительной переработке, чтобы потом сжечь готовый продукт, достаточно нерационально, можно сразу сжигать метан без лишних расходов.
С водой картина еще интересней. Для того чтобы получить один кубический метр водорода, необходимо затратить электроэнергии в четыре раза больше, чем может выработаться при сжигании этого объема газа.
Необходимо учесть, что при производстве водорода будут происходить выбросы вредных веществ, и что окажется лучше – неизвестно. Вместо выброса выхлопных газов автомобиля будут образовываться свои отходы при получении газа.
Кроме того, очень проблематичной является вопрос хранения. Он до сих пор не решен, водород способен проникать через любой материал, и хранить его надо в жидком виде, а это еще дополнительные затраты, и не маленькие, которые необходимо прибавить к тем, что понесены на этапе получения. А при утечках газа образуется взрывоопасная смесь с воздухом.

Следующей проблемой, практически ставящей крест на использовании водорода в качестве топлива для автомобиля, является отсутствие соответствующей инфраструктуры. Под этим необходимо понимать в первую очередь сеть заправочных станций.

Так что из уже сказанного должно быть ясно, что водород не является альтернативным источником энергии, во всяком случае, пока не будет реализован способ его дешевого получения. И мифы о светлом будущем водородной энергетики – просто один из методов борьбы крупных корпораций между собой.

А все-таки попробовать можно – водородный генератор для автомобиля

Несмотря на такой безрадостный вывод о водородной энергетике в промышленном масштабе, можно попробовать использовать вариант получения, так называемого газа Брауна непосредственно на автомобиле. По сути, это тот же самый водород, результат электролиза воды, только проведенного на машине. Под капотом монтируется специальная установка, генератор водорода, питание на которую подается от бортовой сети.

Понятно, что при прочих равных условиях мощность, расходуемая на движение, уменьшится, часть энергии будет дополнительно тратиться на производство газа. Но результаты, полученные в ходе многочисленных испытаний, показывают, что подобная установка позволяет экономить до тридцати процентов бензина.

Как устроен такой генератор, позволяет понять рисунок. Пример изготовления простейшего его варианта показан на видео

и

Его основу составляют металлические электроды, часть из которых подсоединена к плюсу, а часть к минусу б/с. Внутрь залита вода (синяя стрелка) а из емкости выходит газ Брауна (голубая стрелка). Через шланг газ подается во впускной патрубок ДВС.

Как реально подобная установка располагается под капотом, видно на фото.

Вот такой небольшой генератор газа Брауна позволит любой автомобиль сделать немного ближе к творениям концерна Toyota или BMW, получая некоторую экономию бензина.

Правда споры по поводу того, получает ли владелец выгоду от такого устройства, не стихают. Одни утверждают что генератор того стоит, другие оперируя формулами и прочими доводами, доказывают что это миф, и на самом деле от водородного генератора нет никакого толку.

Водород считают горючим будущего, но так ли это? Для его повсеместного использования существует множество проблем, и хотя ведущими автопроизводителями, такими например, как Toyota, в этом направлении прилагаются значительные усилия, есть определенные сомнения, что в ближайшем времени водород сможет заменить бензин. Но есть мнение, что если использовать простейший генератор газа Брауна, то вполне возможно добиться экономии бензина на своем автомобиле, не дожидаясь прихода водородной энергетики.

Автомобиль Toyota Mirai — водородная альтернатива завоевывающих рынок электрокаров — успешно завершил последний «секретный» этап дорожных испытаний. Буквально на днях представители компании заявили, что готовы запустить автомобиль в производство.

Благодаря усилиям японских производителей авто, уже в обозримом будущем водородные автомобили могут стать привычным явлением на дорогах в самых разных странах. Так, гибридный автомобиль на водородном двигателе Toyota Mirai уже сегодня готов к выходу на мировой рынок.

Впервые, еще концептуальная модель, Toyota Mirai была представлена в 2013 году на Токийском автосалоне. Позже машина демонстрировалась публике в доработанном виде в 2014 и 2015 годах. Ожидалось, что авто выйдет на дороги до конца 2015 года, однако в последствии дата была перенесена на 2016. При этом предварительные продажи авто начались еще в 2014 году в Японии. Стоит одна Toyota Mirai порядка 57 тысяч американских долларов. В США и странах Европы Toyota Mirai будет продаваться уже после официального релиза.

Водородный автомобиль имеет кузов седана на четыре места. Длина кузова – 4 870 мм, ширина – 1 810 мм, высота – 1 535 мм. Используемая модель — ZBA-JPD10-CEDSS. Машина использует только передний привод. Радиус поворота – 5.7 метров, а размер шин 215/55. Базовая комплекция использует легкосплавные диски R17. Дорожный просвет – 130 мм. На сегодняшний день это все, что официально известно о технической составляющей Toyota Mirai.

Были анонсированы и параметры силовой установки авто. Ездить автомобиль будет благодаря FCA110, которая будет питаться от топливных элементов класса FC stack. Двигатель производит электроэнергию за счет протекающей в нем химической реакции водорода и кислорода. Максимальный КПД составляет 83%, для сравнения 1.3-литровый бензиновый двигатель дает всего 38%. Максимальная мощность электродвигателя при этом составит 153 л.с.

Никаких вредных выбросов Toyota Mirai не создает, выходит из двигателя машины только энергия в чистом виде и вода. За 4 км, машина выбросит в атмосферу 240 миллилитров воды.

Куда важнее и интереснее то, что 10 февраля 2016 года закончились последние 107-дневные испытания Toyota Mirai. Машина проехала по дорогам Японии, США, Германии и многих других стран. В общей сложности машин, а прошла 100 тысяч километров. За это время автомобиль сменил два раза свои шины и один раз колодки. Топливные элементы водородного авто показали себя с лучшей стороны.

Стоит отметить, что бренд Toyota вошёл в .

Водородные двигатели

Типы водородных двигателей и их описание

Принцип работы

Важно! Внутри специальных ёмкостей газ смешивается с топливно-воздушной смесью.

Характеристики катализаторов

Катализаторы, используемые для создания нужной реакции в водородном двигателе, могут быть трёх видов:

Цилиндрические банки. Это самая простая конструкция, работающая на довольно примитивной системе управления. Производительность водородного двигателя, работающего с данным катализатором, не превышает 0,7 литра газа в минуту. Такие системы могут использоваться на машинах с водородным двигателем объёмом до полутора литра. Увеличение числа банок позволяет превысить данный лимит.
Раздельные ячейки. Считается, что именно такой тип катализатора является наиболее эффективным. Производительность системы составляет более двух литров газа в минуту, КПД — максимальный.
Открытые пластины или сухой катализатор. Данная система рассчитана на длительный срок работы. Производительность колеблется в диапазоне от одного до двух литров газа в минуту. Открытое расположение обеспечивает максимально эффективное охлаждение.

Водородный двигатель своими руками

Генератор

Важно! Если вода дистиллированная, электролиза не будет вовсе.

Устройство водородного двигателя

Важно! Уделите особое внимание созданию вентиляции картера водородного двигателя.

Электрическая часть

Итоги

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 13 апреля 2021 г.

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей — примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году. Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема.Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение — повысить топливную экономичность. от существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может быть переключение автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя.Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

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

Что такое топливные элементы?

Фото: Под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото любезно предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть всего два способа привести современный автомобиль в действие. Большинство машин на Дорога сегодня использует двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, выделять тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы управлять трансмиссией и колесами. Электрический машины работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электроэнергией электродвигатели, приводящие в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключайтесь между ними в зависимости от условий вождения.

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

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

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже об автомобиле.Вот почему в топливных элементах, предназначенных для автомобилей, используются стеки. топливных элементов, соединенных вместе в серию. Общее электричество они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Виды топливных элементов

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

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC) в настоящее время инженеры предпочитают приводить в движение автомобили, но они никоим образом не возможен только дизайн. Так же, как есть много видов батарей, каждая используя различные химические реакции, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочным. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативной конструкцией, известной как твердооксидный топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительную особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить электрический ток (который может использоваться для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для разделения воды на водород и кислород. электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество такого подхода по сравнению с прямым использованием энергии Солнца состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит Солнце, а затем использовать его для движения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет или около того практически каждая машина бег по жидкости, которую мы весьма сбивчиво называем газом.Но в следующие 150 лет многие люди думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически запустить автомобили на водороде — отличная идея: это самый простой способ. и наиболее распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то вроде трех четвертей) всей материи Вселенной. Тогда хватит на всех! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — только около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что случайно найти около двух литров воды перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же взяться всем огромным облакам водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, которое покрывает 70 процентов поверхности Земли, частично состоит из водорода. Разделите старый добрый h3O на части, и вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

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

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».
Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашали топливные элементы следующим большим достижением в области энергетики поставляет с 1960-х годов, когда космический корабль Аполлона сначала ракеты продемонстрировал, что технология практична.Четыре десятилетия спустя на наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах — из-за множества причины. Во-первых, мир настроен на производство бензиновых двигателей за счет миллион, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Купить обычную машину можно за несколько тысяч. долларов за фунт, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах обошелся бы вам в сотни тысяч долларов. тысячи. («Относительно доступный» автомобиль Toyota Mirai наконец стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибрида Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. договоренности. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть огромное нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где обслуживают бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабдить их топливом. Напротив, почти никто ничего не знает об автомобилях на топливных элементах, и практически нет заправки станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

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

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор приводится в действие одним. Фото Кейта Випке любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL) (идентификатор фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Для производства водорода электролизом используется энергия — и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохой старт — и это только старт!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить его в своих резервуарах, чтобы отправиться куда угодно. Это настоящая проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы), равно только около одной пятой бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы зайти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелый, как ваш бензиновый, что может быть не так — потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И затем, конечно, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели, приводящие в движение его колеса.

Водород не является топливом

« …водород — это разрекламированная подножка … Водород — не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».
Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто средством транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнить с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензин (настоящее топливо).В целом, современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей, и часто менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

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

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему защитники автомобилей с аккумуляторными батареями, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с глупыми элементами», которые являются «ошеломляюще глупыми».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области электроэнергетики. Там, где на зарядку автомобиля с батарейным питанием может уйти от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заправить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Современные модели теперь заявляют, что могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и дальность действия снижается по мере старения аккумулятора. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, что и обычные газовые автомобили, хотя их характеристики ухудшаются с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для больших автомобилей и грузовиков.Действительно, Баллард, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что топливные элементы скоро станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы и т. Д. поезда и даже самолеты, которые иначе работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии сейчас идет огромный толчок к тому, чтобы сделать водород более популярным.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока автопроизводители не перестанут производить бензиновые и дизельные двигатели, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии иметь огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.Большинство из нас пока будет придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что будущее за электромобилями, заставит нас в ближайшее десятилетие изменить свой образ жизни. или так. Увидим ли прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами? ты заряжаешься дома? Или, возможно, более мягкий переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые позволят нам увеличить мировые поставки нефти на достаточно долгое время. придумать совершенно новую технологию — возможно, даже атомные автомобили! Никто не знает, что нас ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — электромобили на батареях, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 13 апреля 2021 г.

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей — примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году.Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение — повысить топливную экономичность. от существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может быть переключение автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя.Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Что такое топливные элементы?

Стек топливных элементов

Виды топливных элементов

Откуда возьмется весь водород?

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».
Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Беда с водородом

Водород не является топливом

« …водород — это разрекламированная подножка … Водород — не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».
Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Но и у водорода есть свои плюсы!

Что-нибудь, кроме масла?

Простое объяснение того, как работает водородный автомобиль

Хотя для многих термин «топливный элемент» может показаться сложной передовой технологией, секрет этого нового способа производства энергии заключается в простой химической реакции между кислородом и водородом. Так в чем же особенности водородного автомобиля? Как это работает? В чем его преимущества? И, более конкретно, каковы возможные варианты использования водородного автомобиля в повседневной жизни?

Проблемы водородного электромобиля

Начнем с контекста.Термин «водородный электромобиль» относится к транспортному средству, которое приводится в действие определенным источником энергии — водородом — с помощью специального устройства: топливного элемента. Автомобиль на водородном топливном элементе принадлежит к большому семейству электромобилей , , поскольку он получает тягу от электрической трансмиссии. Для электромобиля, питаемого литий-ионным аккумулятором , электрическая энергия просто сохраняется в аккумуляторе после зарядки от электросети. В этом заключается разница с водородным транспортным средством.Электроэнергия, необходимая для работы трансмиссии, вырабатывается не только аккумулятором, но и топливным элементом, использующим водород, хранящийся на борту транспортного средства. Так работает большинство водородных автомобилей, производимых в настоящее время производителями автомобилей.

Автомобиль с водородным двигателем разделяет те же амбиции вождения без выбросов, что и «обычный» электромобиль. Тем не менее, остается еще несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы максимально снизить воздействие производства водорода на окружающую среду.Текущий метод извлечения этого химического элемента основан на паровой конверсии углеводородов и называется «серым» водородом, потому что он извлекается из ископаемого топлива.
Но есть и другой способ получения водорода: электролиз воды. Если электричество, используемое в процессе электролиза, поступает из устойчивого источника энергии, такого как энергия солнца или ветра, можно производить «зеленый» водород. Этот метод экстракции — решение на будущее.

Как работает водородный электромобиль на топливном элементе

Как на практике работает автомобиль на водородном топливном элементе? Его электроэнергия вырабатывается топливным элементом.Водород под давлением хранится в специальных баках на борту транспортного средства. Газ (h3) вместе с кислородом (O2) из окружающего воздуха подается в топливный элемент. Затем эти два газа подвергаются электрохимической реакции внутри элемента, в свою очередь, с образованием электричества, тепла и водяного пара (h3O), который выделяется в виде газа через небольшую трубку, расположенную под автомобилем.

Получаемая в результате энергия, а также энергия от аккумулятора приводит в действие электродвигатель автомобиля, который в этом случае может работать бесшумно и с нулевым выбросом загрязняющих веществ или CO2 *.Когда дело доходит до пополнения водородом, заправка осуществляется на специальных станциях с помощью насосов, которые очень быстро впрыскивают водород в бак транспортного средства в виде сжатого газа.

Энергопотребление транспортного средства на водородных топливных элементах

Сколько потребляет электромобиль на водородных топливных элементах? Имейте в виду, что атом водорода, два из которых необходимы для образования молекулы дигидрогена (h3), является одним из самых простых и легких природных элементов в периодической таблице (классификации, в которой перечислены все химические элементы, присутствующие на Земле.) Имеет очень низкую объемную плотность. Таким образом, чтобы получить количество водорода, необходимое для работы транспортного средства, необходимо хранить значительное количество водорода в больших баках под высоким давлением.

Электромобиль на водородных топливных элементах согласно Renault Group

Электромобиль на водородных топливных элементах для Renault Group представляет собой электромобиль, который объединяет литий-ионную батарею и водородный топливный элемент под одним капотом. Решив использовать обе технологии вместе, бренд сочетает в себе лучшее из обоих миров.Вот почему за культовым логотипом в виде ромба на внедорожнике Kangoo Z.E. Водород, Renault интегрировал топливный элемент.

Схема установки топливных элементов на Renault Kangoo Z.E. Водород.

На этой схеме работы Kangoo Z.E. Электродвигатель водородного электромобиля питается от литий-ионного аккумулятора. Что касается топливного элемента, он обеспечивает дополнительный запас энергии, который увеличивает запас хода автомобиля (обеспечивая большую автономность и более короткое время зарядки.Транспортные средства, работающие на водороде, предоставляют водителю практические и финансовые преимущества электроэнергии, а также преимущества, предлагаемые водородом с точки зрения гибкости и дальности действия.

Преимущества автомобиля с водородным двигателем

За рулем автомобиля с водородным двигателем водитель выигрывает, прежде всего, от почти вдвое большего запаса хода. Как часть взаимодополняемости между топливным элементом и литий-ионной батареей, электричество, произведенное топливным элементом с использованием накопленного водорода, добавляется к накопительной емкости его основной батареи.Например, компания Renault Kangoo Z.E. Водород оснащен батареей на 30 кВтч в сочетании с бортовым накопителем водорода, эквивалентным 29,7 кВтч. Таким образом, его дальность действия увеличивается с 230 км до 370 км (цикл WLTP *). Таким образом, водородную систему можно рассматривать как «расширитель диапазона».
Глазурь на торте — скорость заправки. Помимо подзарядки от сети, не более десяти минут достаточно, чтобы заправить водородный бак для подачи топлива в топливный элемент, что мгновенно увеличивает запас хода автомобиля.
И это не единственные преимущества: водородный автомобиль предлагает все преимущества вождения электромобиля, начиная с отсутствия шума двигателя, приятных ощущений от вождения и доступа к зонам с ограниченным движением в определенных центрах городов.

Зарядка автомобиля, работающего на водороде

Как именно заряжается электромобиль на водородных топливных элементах? Ответ зависит от производителя. В Renault есть два способа восстановить запасы энергии автомобиля.Во-первых, подзарядка от стандартного электрического терминала для питания литий-ионного аккумулятора (вариант, облегчаемый количеством доступных зарядных станций). Во-вторых, заправка на водородной станции для заправки бензобака занимает всего несколько минут — в течение дня, например, когда водителю нужно продлить поездку.

Хранение водорода

Хотя термин «автомобиль на топливных элементах» еще не вошел в наш обиход, он не должен вызывать беспокойства, когда речь идет о безопасности.Конечно, водород, находящийся в резервуаре под высоким давлением, является летучим и легковоспламеняющимся элементом. В случае перегрева топливного элемента или его удаления водород рассеивается и высвобождается менее чем за минуту. Перед тем, как поступить в обращение, водородные автомобили должны соответствовать особенно строгим европейским нормам. Кангу З.Э. Водород подлежит европейской сертификации, выданной в соответствии с постановлением ЕС № 79/2009.
На протяжении более двадцати лет технологии, использующие дигидроген, многократно проверялись и одобрялись, часто в экстремальных условиях (космическая техника, подводные лодки, строительная техника).
Сегодня, благодаря опыту, накопленному новаторским Kangoo Z.E. Водород с 2014 года, Renault Group идет еще дальше, объявляя о партнерстве с известным мировым лидером в области топливных элементов Plug Power, который на сегодняшний день развернул более 40 000 систем топливных элементов. Созданный в результате инновационный центр не только поставит своих партнеров на передний край исследований и разработок, производства и коммерциализации водородных транспортных средств, но также и в сфере сопутствующих услуг (зарядная инфраструктура, поставка водорода и т. Д.).)

Сравнение водородного автомобиля и электрического автомобиля с литий-ионным аккумулятором

Хотя эти две технологии производят впечатление диаметрально противоположных, на самом деле они являются взаимодополняющими способами мобильности. На вопрос «водород или электромобиль?» зависит прежде всего от использования и типа транспортного средства. В легких грузовых автомобилях с высокой грузоподъемностью водород особенно интересен. Несмотря на то, что резервуар, используемый для хранения газа, большой, его вес остается приемлемым. Водород особенно подходит для интенсивного использования в замкнутом цикле, где дозаправка легко обнаруживается и доступна на маршруте транспортного средства или даже непосредственно на территории компании.
Электромобили, оснащенные только литий-ионными батареями, предназначены для всех типов водителей и использования, от коротких поездок по городу до длительных поездок. Но когда батарея разряжена, единственное решение — подзарядка от электросети. Заряжается только электромобиль дольше, чем его водородный аналог, но существует больше зарядных станций, как в частных, так и в общественных местах. Парковку легко совместить с зарядкой автомобиля. Таким образом, как электричество, так и водород являются взаимодополняющими технологиями, разработанными для обеспечения устойчивой мобильности, подходящей для всех типов использования.

Насколько популярны водородные автомобили в Европе?

В 2020 году новые регистрации автомобилей на водородных топливных элементах произошли в основном в Германии, за которой следуют Нидерланды и Франция **. Станции заправки водородом постепенно расширяются по всей Европе. Например, в 2020 году во Франции будет около 100 станций, а к 2030 году планируется достичь 1000 станций. В Европе 150 действующих станций, из которых 750 уже развернуты. На 2025 год в работе находится 3700 станций.Чтобы поддержать эту развивающуюся инфраструктуру, несколько европейских стран ввели стимулирующую политику для продвижения технологии: например, Германия, которая только что выделила этому сектору бюджет в размере 700 миллионов евро, и Франция, которая финансирует покупку водородного автомобиля до 16000 человек. евро.
Появление первых серийных водородных электромобилей, включая профессиональные автомобили, которые в настоящее время заправляются на территории компании, поможет ускорить развитие инфраструктуры, обещая светлое будущее водородным технологиям.

* WLTP: Всемирная согласованная процедура испытаний легковых автомобилей. Стандартный цикл WLTP соответствует 57% поездок по городу, 25% поездок в пригород и 18% поездок по автомагистралям.

** Отчет за третий квартал 2020 года, опубликованный ACEA, Европейской ассоциацией автопроизводителей

Авторские права: BERNIER Anthony, Renault Group

Как работает водородный автомобиль?

► Объяснение новой технологии аккумуляторов
► Будущее силовых агрегатов электромобилей
► Мы углубляемся в твердые состояния

Полностью электрические и гибридные автомобили с батарейным питанием являются флагманом экологически чистых транспортных средств, которые заменят двигатель внутреннего сгорания.Но есть третий вариант, о котором часто забывают: автомобили на водороде.

Водород десятилетиями использовался в качестве топлива для транспортных средств; Еще в 1807 году Франсуа Исаак де Риваз разработал первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, а полтора века спустя ученый Роджер Биллингс переделал двигатель Ford Model A для работы на водороде. Перенесемся немного вперед: водород используется для отправки ракет НАСА в космос.

Но с началом 2020-х годов появляется целый ряд транспортных средств, работающих на водороде, от лондонских автобусов и вилочных погрузчиков до Toyota Mirai, Hyundai Nexo и Honda Clarity.

Водородные автомобили точно не покорили мир. Но они предлагают более экологичную замену бензину и, возможно, альтернативу электромобилям с батарейным питанием.

Как на самом деле работает водородный автомобиль?

Водород можно использовать в качестве топлива для автомобилей двумя способами. Первый — это водородные топливные элементы, которые работают аналогично литий-ионным батареям электромобилей.

Газообразный водород хранится в резервуаре, который питает топливные элементы, каждый из которых состоит из отрицательной и положительной клемм (анодов и катодов), разделенных электролитом, подобно литий-ионной батарее.По сути, водород производит электричество вместо элемента батареи.

Кислород забирается из воздуха и закачивается в катод, в то время как водород течет к платиновому анодному выводу, который действует как катализатор, отделяющий положительные ионы водорода от газа.

Они протекают через электролит к катоду, создавая положительный заряд. Поскольку разделенные электроны не могут проходить через электролит, они обтекают внешнюю цепь, генерируя заряд, используемый для питания электродвигателя.

А что с выбросами? Когда ионы водорода входят в контакт с катодом, они соединяются с кислородом, образуя воду, которая затем вытекает из выхлопных газов автомобиля; он такой чистый, что его можно пить.

Использование водорода для сжигания

Водород также может использоваться в качестве прямой замены бензина или дизельного топлива в специализированном или переделанном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае газообразный водород под давлением впрыскивается непосредственно в камеру сгорания двигателя, и сгорание происходит как в обычном ДВС.

Использование такого водорода не является обычным явлением, поскольку он не такой энергоемкий, как бензин. Но сжигание водорода действительно приводит к меньшим выбросам, поскольку основным побочным продуктом является вода, а также меньше токсичных газов NOx, выделяемых теплом, выделяемым двигателем.

Как и большинство передовых технологий, он также участвовал в гонках: Aston Martin Rapide S, оснащенный гибридным водородным двигателем от специалистов Alset, оспаривал N24, причем автомобиль мог переключаться между бензиновым и водородным топливом. Кроме того, Mazda RX-8 Hydrogen RE, впервые представленная в 2003 году, была еще одним водородным двухтопливным автомобилем с ДВС, но производство его было прекращено в 2011 году.

Какие преимущества?

Наиболее очевидным преимуществом водородного топлива, по крайней мере, когда речь идет об электромобилях на топливных элементах (FCEV), является отсутствие выбросов и вредных побочных продуктов, производимых автомобилями, работающими на водороде.

И поскольку топливные элементы не разлагаются, как литий-ионные батареи, они имеют тенденцию прослужить всю жизнь автомобиля — примерно 150 000 миль. Их также можно переработать, что делает их довольно зеленым вариантом.

Диапазон FCEV превосходит даже лучшие электромобили: маленькая Toyota Mirai способна проехать 300 миль на одном баке, а более крупные водородные автомобили, такие как Hyundai Nexo, — 400 миль.

Когда дело доходит до заправки топливного бака, это так же просто, как заправлять бензином автомобиль. Газообразный водород можно просто закачать в бак, готовый к засасыванию в топливные элементы; нет длительной зарядки аккумулятора. Но есть некоторые ключевые проблемы.

Какие недостатки?

Есть очень мало мест, где можно пополнить FCEV. Инфраструктуры заправки водородом в Великобритании практически нет, по всей Великобритании насчитывается менее 20 заправочных станций.

ЭМ

может занять больше времени для зарядки и по-прежнему беспокоиться о дальности, но, по крайней мере, их можно заряжать от базовой розетки, что компенсирует отсутствие широко распространенных точек быстрой зарядки.И даже тогда сеть зарядки электромобилей растет быстрыми темпами, как и скорость зарядки.

Большинство FCEV поставляются с небольшой батареей для работы на коротких отрезках пути, но это все еще не решает проблему поиска места для заправки.

Переносить водород также сложно, поскольку он легко воспламеняется. Чтобы водородные автомобили не превратились в автомобили Hindembergs, резервуары, содержащие сжатый газ, должны быть чрезвычайно прочными и устойчивыми к ударам, что делает их более сложными в проектировании, чем резервуары для бензина.По той же причине также трудно транспортировать водород на заправочные станции танкером или трубопроводом.

Другой серьезной проблемой является производство водорода для топлива. Это довольно легко сделать, пропустив через воду электрический ток, который отделяет водород от кислорода.

Но это связано с потреблением электроэнергии, которая, скорее всего, вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива, а это значит, что водород не так уж и экологичен с точки зрения производства. Есть аргумент, что солнечная энергия может использоваться для производства такого электричества, но тогда эта энергия может также использоваться для непосредственного наполнения батареи, чем для производства другого топлива.

В настоящее время массовое производство водорода включает процесс, называемый паровой конверсией метана. Вкратце, это включает получение водорода из природного газа метана в результате экзотермической реакции.

Но поскольку это включает сжигание ископаемого топлива, это не совсем зеленый способ производства водорода. В целом, это более чистое топливо, чем бензин, но не такое чистое, как электричество, произведенное из возобновляемых источников.

Ученые работают над тем, чтобы сделать производство водорода более чистым, но пока они не смогут добиться этого в больших масштабах, вы вряд ли увидите много водородных топливных насосов на придорожных станциях.

Стоимость также является важным фактором: водород стоит дороже, его стоимость за килограмм и милю выше, чем у бензина. А учитывая, что водород менее энергоемкий, вам, вероятно, придется чаще заправляться.

Есть ли будущее у водородных автомобилей?

Это классическая ситуация с курицей и яйцом; Точки заправки водородом, скорее всего, увеличатся только в том случае, если будет больше FCEV, а такие автомобили будут популярны только в том случае, если есть места для их заправки.

Улучшения в диапазоне электромобилей, увеличении срока службы аккумуляторов и зарядной инфраструктуры — наряду с крупными инвестициями для крупных автомобильных брендов — означают, что импульс не наблюдается с FCEV.А такие достижения, как разработка твердотельных аккумуляторов и использование суперконденсаторов, позволяют заряжать электромобили. Только Toyota и иногда BMW проявляют интерес к водородным топливным элементам.

Водородные FCEV все еще могут предложить альтернативу, возможно, с топливными элементами, действующими как способ увеличения дальности действия электромобилей, а не как основного источника энергии. Но для того, чтобы такие гибридные автомобили стали популярными, нам потребуется больше точек заправки и более экологичные способы массового производства водорода.

Пока не списывайте автомобили на водороде, просто не ожидайте, что они скоро займут ограниченное пространство.

Как работает автомобиль на топливных элементах

Аккумуляторные электромобили (BEV) доминируют в разговорах об автомобилях с нулевым уровнем выбросов, а такие автомобили, как Chevrolet Bolt EV и Tesla Model 3, являются хорошо известными примерами технологии BEV. Но другой тип электромобиля — электромобиль на топливных элементах (FCEV) — также практически не производит вредных выбросов выхлопных газов и обладает практически всеми другими преимуществами BEV.

Кроме того, FCEV предлагает быструю дозаправку в процессе, имитирующем заправку бензобака обычного автомобиля. Таким образом, автомобиль на топливных элементах восстанавливает свой полный запас хода в течение пяти или 10 минут по сравнению с длительным временем зарядки существующих BEV.

Хотя все это звучит исключительно многообещающе, у FCEV есть ограничения. Во-первых, до недавнего времени топливные элементы, достаточно компактные, чтобы приводить в действие автомобиль, были дорогими в производстве. Эта проблема должна решиться сама собой по мере увеличения производства автомобилей на топливных элементах.

Но еще более серьезной проблемой является наличие водорода, элемента, который в сочетании с кислородом создает электричество, питающее FCEV. Водород является обычным элементом, но в природе он редко встречается в изолированном состоянии как легковоспламеняющийся газ. Чаще всего он соединяется с другими элементами в соединениях, включая углеводороды, такие как нефть и природный газ, и с кислородом в виде воды. Из-за этого водород необходимо производить, а это требует энергии, и его необходимо транспортировать на заправочные станции.В некоторых случаях его получают на заправочных станциях из воды.

Независимо от того, как создается водородное топливо, другая проблема заключается в том, что в Соединенных Штатах есть лишь небольшое количество заправочных станций водородом, открытых для общественности, и почти все они расположены в крупных городских районах Калифорнии. Это создает головоломку, состоящую из курицы и яйца. Следует ли обществу создавать инфраструктуру доставки водорода для обслуживания автомобилей на топливных элементах в ожидании, что в будущем появится больше FCEV? Или водородная инфраструктура должна подождать, пока на дороге не будет достаточно FCEV, чтобы оправдать инвестиции?

В последнем случае, возможно, никогда не будет достаточно транспортных средств на топливных элементах, чтобы стимулировать строительство водородной инфраструктуры, потому что немногие люди купят FCEV, если они считают, что им будет трудно заправить его бак.

Как работает топливный элемент?

Топливный элемент вырабатывает электричество в результате электрохимической реакции водорода и кислорода, которая происходит внутри самого транспортного средства. Напротив, электричество для BEV генерируется вне транспортного средства и хранится в аккумуляторной батарее транспортного средства. Таким образом, большое преимущество FCEV по сравнению с BEV заключается в том, что топливные элементы не требуют подзарядки, как батареи. Вместо этого они продолжают производить электричество, пока водород и кислород доступны для топливного элемента автомобиля.

Топливный элемент имеет анод, катод и электролитную мембрану. Он создает электрический ток, пропуская водород через анод и кислород через катод. На аноде катализатор расщепляет молекулы водорода на электроны и протоны. Протоны проходят через пористую электролитическую мембрану, в то время как электроны замыкаются в цепи в виде электрического тока. На катоде протоны, электроны и кислород объединяются, образуя молекулы воды.

Побочными продуктами этого процесса являются вода, обычно в форме пара, и тепло.Топливные элементы без движущихся частей работают бесшумно и надежно. Отработанное тепло топливного элемента можно использовать для нагрева или охлаждения.

Как работает автомобиль на топливных элементах?

Подобно аккумуляторным электромобилям, автомобили на топливных элементах используют электричество для приведения в действие одного или нескольких электродвигателей, приводящих в движение колеса. В FCEV электричество поступает непосредственно от топливного элемента или от бортовой аккумуляторной батареи, которая накапливает как избыточную электроэнергию, так и электроэнергию, генерируемую рекуперативным торможением.Этот процесс, также используемый в BEV и гибридах, позволяет экономить энергию, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла при торможении. Количество энергии, доступной для привода FCEV, представляет собой сумму электроэнергии, производимой водородом, хранящимся в бортовом баке, и энергии, хранящейся в аккумуляторной батарее.

Во время движения простая трансмиссия передает электричество от топливного элемента и / или от аккумуляторной батареи к электродвигателю (двигателям), приводящему в действие транспортное средство. Электронный контроллер управляет потоком электричества, таким образом регулируя скорость и крутящий момент электродвигателя электропривода.Кроме того, FCEV также имеет систему охлаждения, которая поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Водородное топливо хранится в резервуаре под давлением, специально разработанном для этого использования, а топливозаправочная горловина значительно более высокотехнологична, чем форсунка бензонасоса на местной заправочной станции. Заправка водородом, хотя и более сложная, лишь немного сложнее, чем заправка бензина в обычном автомобиле, и этот процесс занимает сопоставимое количество времени.

Почему нет больше автомобилей на топливных элементах?

Транспортные средства на топливных элементах обладают рядом преимуществ по сравнению с электромобилями на аккумуляторных батареях, особенно при сравнении времени заправки и зарядки. Кроме того, в FCEV электричество вырабатывается на борту, производя только тепло и водяной пар, в то время как BEV работает на электричестве, произведенном в другом месте, обычно на электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Однако процесс производства водородного топлива, используемого для питания FCEV, также не всегда чист.

Самым большим препятствием для широкого использования FCEV является отсутствие водородных заправочных станций. Почти все водородные станции, открытые для публики, расположены в Калифорнии, где штат инвестирует в инфраструктуру водородных заправочных станций. Неудивительно, но именно здесь продаются три FCEV, доступные в США (за одним исключением). К ним относятся топливные элементы Honda Clarity, Hyundai Nexo и Toyota Mirai. Mirai также доступен на Гавайях.

8 фактов об автомобилях с водородными топливными элементами

1.В чем секрет топливных элементов?

«Автомобиль на водородных топливных элементах» звучит довольно экзотично, но на самом деле это просто электромобиль, который заменяет громоздкий, тяжелый и дорогой аккумулятор с зарядкой от сети на относительно небольшую, легкую и дорогую электрохимическую систему, вырабатывающую электроэнергию на борту.

Топливный элемент — это силовая установка системы. В нем газообразный водород, забираемый из бортового резервуара под давлением, вступает в реакцию с катализатором, обычно сделанным из платины. Этот процесс отделяет электроны от водорода, давая им возможность делать свое дело — электричество, протекающее через электродвигатель, приводящее в действие автомобиль.

После выполнения своей работы электроны возвращаются в топливный элемент, где они воссоединяются с исходным водородом в присутствии кислорода, втянутого из окружающего воздуха. Они встречаются в соотношении двух атомов водорода к одному кислороду. Престо! Это h3O или вода. Вода помогает охладить стек (все эти возбужденные молекулы выделяют много тепла), прежде чем он будет стекать из выхлопной трубы автомобиля в виде комбинации пара и дистиллированной воды.

Один топливный элемент не производит столько электронов, поэтому автопроизводители связывают множество плоских прямоугольных элементов вместе в стек топливных элементов, чтобы получить достаточно энергии для питания автомобиля или грузовика.Стек действует во многом как батарея, выделяя электричество постоянным потоком для питания электродвигателя транспортного средства и вспомогательной электроники.

Стопки топливных элементов обычно имеют размер, обеспечивающий чуть большую мощность, чем автомобиль может использовать при нормальных условиях ускорения и крейсерского движения. Избыток, увеличенный за счет электричества от регенеративной тормозной системы транспортного средства, хранится в небольшой литий-ионной батарее для использования, когда транспортному средству требуется дополнительный всплеск мощности.

Как только батарея топливных элементов творит чудеса, автомобиль становится таким же, как и любой другой электромобиль на дороге, почти бесшумно движется с большим ускорением благодаря огромному выходному крутящему моменту электродвигателя.

Водородные топливные элементы: есть ли будущее у водородных автомобилей?

Водород — самый распространенный элемент на планете, и его двигатели приводились в действие еще в 1807 году, поэтому он также является самым чистым видом топлива. Однако водород не получил широкого распространения в автомобильном мире. Многие производители экспериментировали с этой технологией, и, хотя некоторые из них взяли на себя обязательство производить автомобили с водородным двигателем в небольших количествах, массовое внедрение все еще выглядит далеким. Если это вообще когда-нибудь случится.

Между тем, продажи электромобилей продолжают расти: за год до ноября 2020 года было продано на 162% больше электромобилей с аккумуляторными батареями по сравнению с тем же периодом 12 месяцев назад. И благодаря такому интересу производители могут позволить себе вкладывать деньги в электромобили вместо нишевых технологий, таких как водород.

Еще одна причина проблем с водородными автомобилями — это существующая инфраструктура. В Великобритании всего несколько водородных заправочных станций, которых недостаточно, чтобы водители могли работать с бензином и дизельным топливом.

Тем не менее, водород может быть частью автомобильной отрасли в ближайшие годы. Мы отправились в Суиндон — самопровозглашенную столицу водорода в Великобритании — чтобы узнать, как может выглядеть будущее водорода.

Первый аргумент скептиков против водородных транспортных средств состоит в том, что они менее эффективны, чем электромобили. Поскольку водород не встречается в природе, его нужно извлекать, а затем сжимать в топливных баках. Затем он должен смешаться с кислородом в батарее топливных элементов, чтобы произвести электричество для питания двигателей автомобиля.Циники указывают на потерю эффективности в этом процессе по сравнению с электромобилем, в котором электричество поступает прямо от аккумуляторной батареи.

В некоторой степени это правда, но не ожидается, что автомобили с водородным двигателем заменят электромобили. Вместо этого для таких производителей, как Toyota, водород будет дополнять электроэнергию, и для этого есть веская причина: это и будет самым чистым топливом из возможных.

«Каждый крупный производитель либо изучает автомобили на водородном топливе, либо работает над ними», — говорит Джон Хант, менеджер по маркетингу Toyota и руководитель отдела коммерциализации автомобилей на водородных топливных элементах.

«Производство литий-ионных аккумуляторов [для электромобилей] очень энергоемкое. Например, аккумулятор на 100 кВт / ч обеспечит потенциальную дальность действия 250 миль, и для производства этой батареи потребуется около 20 тонн CO2 », — говорит Хант.

«Типичного аккумулятора хватает на 150 000 миль, что соответствует примерно 83 г / км CO2. Затем, если учесть зарядку на том же расстоянии, тот же аккумуляторный автомобиль будет выделять 124 г / км CO2 в течение своего срока службы », — поясняет он.

Для сравнения: у современных водородных автомобилей выбросы в течение жизненного цикла не менее низки. Недавнее исследование показало, что водородный автомобиль, такой как Toyota Mirai, выделяет около 120 г / км CO2 в течение своего срока службы. Но это может быть значительно уменьшено, если водород производится из возобновляемых источников энергии.

Обычный метод производства водорода включает отделение его от природного газа (с использованием процесса, называемого паровым преобразованием метана), но ведутся работы по получению водорода из биомассы, что значительно сократит выбросы водорода в течение жизненного цикла до примерно 60 г / км. СО2.Это ниже уровня, которого могут достичь электромобили, даже если электричество получают из возобновляемых источников, из-за экологических затрат на производство аккумуляторов.

Для действительно экологичной мобильности водород — это топливо, которое нельзя игнорировать. Хант говорит, что это особенно применимо в секторе тяжелых грузов, где электрические грузовики ограничены емкостью аккумуляторной батареи и вынуждены подзаряжаться от электросети. И все же создание инфраструктуры для полной заправки водородом, с помощью которой газ производится и затем транспортируется на станции, потребует миллиардов фунтов и лет.В настоящее время в Великобритании действует менее 20 заправочных станций по сравнению с примерно 36 000 (и их количество растет) для зарядки электромобилей.

Ключ к поощрению водородных автомобилей — сделать их частью более широкой «водородной экономики» — строительство заправочных станций для водородных автомобилей само по себе было бы неэффективным. Вместо этого, в идеале, весь энергетический сектор включал бы водород в смесь, от заправки автомобилей до хранения энергии для дома.

И это можно запустить локально.Одно из преимуществ водорода заключается в том, что его можно производить на месте, а не транспортировать, как топливо, или поставлять через сеть, как электричество. «Вместо того, чтобы иметь общенациональный проект, водород может начинаться с местных водородных узлов и постепенно выходить из строя», — говорит Клэр Джексон, менеджер Hydrogen Hub из Суиндона, организации, продвигающей водородную экономику.

Итак, мы оказались на территории парка Лидия в Суиндоне, чтобы понять, как муниципальные советы могут начать свою собственную водородную экономику.В городе Уилтшир в представительстве Honda в 2011 году открылась первая в Великобритании водородная станция, полностью работающая на возобновляемых источниках энергии. Станция способна производить водород в промышленных масштабах с использованием солнечной энергии, не полагаясь на энергосистему Великобритании.

Сейчас по улицам Суиндона ежедневно курсируют шесть автомобилей с водородным двигателем. Это стало возможным благодаря таким лизинговым фирмам, как Arval, которая решила перейти на водород и включила автомобили в свой парк. В настоящее время автомобили сдают в аренду таким организациям, как Science Museum Group и National Trust, в то время как Совет Суиндона установил вторую водородную станцию и, возможно, еще больше в пути, потому что Arval планирует иметь 170 водородных автомобилей в городе к 2020 году.

Но локализованный подход никогда не приведет к общенациональному распространению. Toyota, Daimler и BMW возглавляют группу из 13 компаний по всему миру, инвестируя 10 миллиардов долларов в течение следующего десятилетия в развитие водородных технологий и инфраструктуры.

Государственные инвестиции также должны сыграть свою роль. «Сегодня в Великобритании около 1 ТВт энергии производится из возобновляемых источников, но не используется», — говорит Хант. «Это лишнее поколение, которое можно сохранить. Это может произвести около 18 000 тонн водорода — этого достаточно, чтобы привести в действие 90 000 автомобилей на расстояние 12 000 миль.Хант говорит, что инвестиции, необходимые для завода по переработке и распределению водорода, меньше, чем сумма, которую страна тратит на ядерную энергетику, и это было бы чище.

Германия построит 400 станций к 2023 году, что побудило Ханта предупредить: «UK PLC не может позволить себе упустить водород; поскольку другие страны развивают свою инфраструктуру, Великобритания не может позволить себе отставать ».

Но даже при наличии водородной инфраструктуры, будь то местная или общенациональная, водородные автомобили по-прежнему сталкиваются с проблемой затрат.Розничная цена Toyota Mirai превышает 65 000 фунтов стерлингов, и она больше не имеет права на получение гранта правительства в размере 3 000 фунтов стерлингов. За любую машину приходится платить немало, но вопрос цены можно решить двумя способами.

Первый принадлежит Toyota. Джон Хант говорит, что все автомобили компании основаны на модульной платформе, и поменять их с гибридной на водородную структуру несложно. «[Гибридная] трансмиссия полностью переносима. Таким образом, внедрение топливных элементов — это просто замена бензиновой трансмиссии.Toyota планирует к 2020 году построить 30 000 автомобилей на водородных топливных элементах ».

Другой вариант — более радикальное переосмысление. «Все низкоуглеродные автомобили требуют надбавки на рынке, но покупатели не обязательно готовы платить эту надбавку за повышение эффективности. Поэтому нам нужна другая бизнес-модель, — говорит Хьюго Спауэрс, основатель экологической автомобильной компании Riversimple.

Вместо того, чтобы продавать свой двухместный автомобиль Rasa, Riversimple намеревается продавать своим клиентам «услугу»: они никогда не будут владеть автомобилем, но примерно за 370 фунтов стерлингов в месяц у них будет доступ к определенному пробегу водородного двигателя. , с покрытием топлива, страховки и всех других расходов.

Спауэрс добавил: «Это позволяет нам конкурировать с обычными автомобилями достаточно долго, пока не снизятся затраты на цепочку поставок.