Как работает водородная. Водородный двигатель автомобиля: лекарство от нефтяной зависимости

19.04.2019

Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа. Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии. Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной - водороде

ВДВС представляет собой аналог широко используемых сегодня двигателей, топливом для которых является пропан. Именно эту модель движка проще всего перенастроить для работы от водорода. Принцип его действия тот же, что у бензинового двигателя, только в камеру сгорания вместо бензина поступает сжиженный водород. Авто с ВЭ – это, фактически, электрокар. Водород здесь выступает лишь сырьём для выработки электроэнергии, необходимой, чтобы привести в действие электрический мотор.

Водородный элемент состоит из следующих частей:

корпуса;
мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
катода с тем же катализатором.

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

Основные характеристики водородных автомобилей

Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:

максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей. Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей. Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.

К тому же переоснащение ДВС под водород для увеличения КПД требует изменения системы зажигания установки. Не решена пока проблема быстрого прогорания поршней и клапанов из-за более высокой температуры горения водорода. Здесь всё решит дальнейшее развитие обеих технологий, а также динамика цен при переходе к серийному производству.

Плюсы и минусы авто, работающих на водороде

Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:

высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;

В целом авто имеет амбиции покорить весь мир

меньший уровень шума от работы двигателя;
отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
возможность использования двух видов топлива.

Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
отсутствие технологии хранения водорода;
отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.

Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются

Производством машин на водородном топливе занимаются такие ведущие мировые автомобилестроительные компании, как BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN и Toyota, Daimler AG и General Motors. Среди опытных моделей, а у некоторых производителей уже и мелкосерийных, имеются автомобили, функционирующие только на водороде, или с возможностью использования двух видов топлива, так называемые гибриды.

Уже выпускаются такие модели водородомобилей, как:

Ford Focus FCV;
Mazda RX-8 hydrogen;
Mercedes-Benz A-Class;
Honda FCX;
Toyota Mirai;
Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.

Сегодня можно сказать определённо, что, несмотря на имеющиеся трудности (новое всегда с трудом пробивает себе дорогу), будущее принадлежит более экологичным автомобилям. Автокары, работающие на водородном топливе, составят достойную конкуренцию электромобилям.

Водород давно считается едва ли не лучшей заменой бензину. Это неудивительно, ведь при его сгорании выделяется вода, а не вредные вещества. Вот только, несмотря на все очевидные преимущества, споры и дискуссии про водородный автомобиль идут до сих пор. И это притом что многие корпорации, Toyota, BMW, Ford, постоянно ведут работы по использованию такого газа как источника энергии для движения машины.

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.

К сожалению, природные ресурсы нашей планеты не являются безграничными. И хотя запасов нефти, являющейся сырьём для производства автомобильного топлива, хватит не на одну сотню лет, неуклонно растущая цена чёрного золота принуждает производителей уже сегодня подыскивать альтернативные источники питания.

Кроме того, к этому приводит необходимость заботы о чистоте окружающей среды. Хотя в большинстве современных транспортных средствах изготовителями предусмотрена тщательная очистка выхлопных газов, полностью уберечь экологию от их негативного воздействия пока не удаётся

Одним из наиболее перспективных вариантов альтернативных источников энергии для автомобилей считается инновационная разработка конструкторского бюро концерна Тойота. Существует ли возможность самостоятельно изготовить водородный двигатель? Попробуем разобраться, предварительно ознакомившись с устройством и принципом действия силового агрегата, предназначенного для машин грядущего поколения.

Водородный двигатель - достойный преемник моторов на традиционном топливе. Рекомендации по самостоятельному изготовлению

Мастерство отечественных умельцев всегда поражало и вызывало неприкрытую зависть автолюбителей всего мира. Стремление избежать лишних расходов принуждает доморощенных механиков совершенствовать личные средства передвижения своими руками. Водородный двигатель не является исключением. Российские автолюбители научились изготавливать его самостоятельно.

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях этого процесса, предварительно следует ознакомиться с устройством силового агрегата, которому, несомненно, принадлежит будущее моторостроения. Также необходимо досконально изучить принцип работы подобного устройства.

Разновидности водородных двигателей

Современная наука не стоит на месте, постоянно находясь в поисках новых решений. Однако реального воплощения в жизнь удостаиваются только самые перспективные из них. Разработки, не обладающие достаточно высокой рентабельностью вкупе с приемлемыми показателями производительности, отметаются сразу. На сегодняшний день известно два вида силовых агрегатов, работающих на водороде:

моторы, в качестве источника питания которых используются топливные элементы. Рядовому обывателю, к сожалению, установить подобный водородный двигатель на свой автомобиль не представляется возможным. Объяснением такой весьма печальной для водителей среднего достатка действительности является довольно ощутимая стоимость комплектующих деталей, составляющих его конструкцию. Некоторые из них изготавливаются из драгоценных материалов, в частности из платины;
второй разновидностью считается водородный двигатель внутреннего сгорания. Его принцип действия аналогичен силовым установкам, работающим на пропане. Поэтому часто газовые агрегаты подвергают определённой перенастройке, приспосабливая к использованию водорода. Несмотря на то, что КПД таких моторов значительно ниже устройств, функционирующих на топливных элементах, многих автолюбителей привлекает их доступная стоимость и возможность самостоятельного изготовления.

Следует отметить, что учёные не остановились на изобретении этих двух типов водородных двигателей. В настоящее время проводятся изыскания по их усовершенствованию. Поэтому невозможно с уверенностью утверждать, какому из них принадлежит будущее.

Принцип действия водородных силовых установок

Чтобы любой мотор мог нормально работать, необходимо его обеспечить надёжным источником питания. Водородный двигатель функционирует за счёт электролиза. С присутствием особого катализатора в воде под воздействием электрического тока образуется не обладающий взрывоопасными свойствами газ с названием гидроген. Его можно представить химической формулой ННО.

В конструкции силового агрегата предусмотрены специальные ёмкости, Они предназначены для соединения гидрогена с топливно-воздушной смесью.

Устройство генератора представлено электролизёром и резервуаром. Процесс образования гидрогена осуществляется при помощи модулятора тока. Водородные двигатели инжекторного типа дополнительно комплектуются особым оптимизатором. Основным предназначением данного приспособления является обеспечение требуемого соотношения гидрогена и топливно-воздушной смеси. С его помощью происходит регулирование процесса для создания идеальных пропорций.

Разновидности катализаторов

Заключение

Вполне вероятно, в ближайшем будущем подавляющее большинство транспортных средств будет комплектоваться водородными двигателями. Поскольку кругооборот воды в природе сделал этот материал практически неистощимым, и процесс её добычи не вызывает никаких трудностей, экономия становится очевидной.

Помимо того, главными преимуществами таких агрегатов считаются сокращение потребления бензина и сохранность окружающей среды благодаря абсолютной экологической безопасности.

Несмотря на то, что характеристики самодельного мотора, использующего водородное топливо в качестве источника питания, несколько уступают заводским моделям, отечественные умельцы могут по праву гордиться собственноручным творением.

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.

Авто компании разрабатывают новые виды двигателей для автомобилей будущего. Кто-то ставит ставку на электромоторы, а кто-то разрабатывает водородные двигатели. Рассмотрим водородный двигатель и его преимущества.

Как работает?

Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному - электрохимический генератор. Это своего рода “вечная” батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. Т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.

Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Здесь батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.

Дело в том, что главный источник энергии - блок топливных элементов - выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных - не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90% уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.

В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.

Главные недостатки

Главный недостаток - высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.

Следующий серьезный недостаток - энергетическая эффективность. Если использовать водород как только как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30% с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80% у электромобилей.

Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше - до 70%. Правда, ценой выбросов углекислого газа.

Если сейчас производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать как на водородном топливе, так и на бензине. Теперь владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.

Вот глядишь, лет через пять-десять, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии сегодняшнего дня не радужны. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах - она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороге гибридных версий.