Водородный двигатель принцип работы экологичных машин. Которые кардинально отличаться от привычных авто с двигателем внутреннего сгорания. Стандартные автомобили производят большое количество токсичных выхлопов в воздух, отчего происходит серьёзное загрязнение атмосферы.
Проблема глобального потепления становится реальной угрозой для человечества. Кроме того, запасы нефти на планете имеют ограниченный ресурс, и рано или поздно человечество будет вынуждено перейти на другие варианты источников энергии для автомобилей. Одним из таких вариантов может быть двигатель на водородном топливе.
Принцип работы водородного двигателя
История возникновения водородного двигателя
Первые попытки создания двигателя на водороде были предприняты в 1806 году французским исследователем Франсуа Исааком де Риваз.
Учёный получал водород благодаря физико-химическому процессу, который носит название «электролиз воды».
Во времена создания первого водородного двигателя речь не шла про загрязнение атмосферы, и такой двигатель изобретался сугубо в научных целях, чтобы научиться использовать водород в качестве топлива.
Однако, первый патент на водородный двигатель был получен только в 1841 году, а первое успешное устройство, функционирующее с помощью водорода и воздуха, появилось в 1852 году в Германии.
Интересным фактом является применение водорода во время Отечественной войны, когда в Ленинграде во время военной блокады топлива не хватало, а водорода было достаточно. Б. Шелищ, технический военный специалист, предложил своё видение процесса заправки автомобилей и аэростатов с помощью водорода.
Так на водороде начали работать не только ДВС лебёдок аэростатов, но и 600 машин по всему городу. После того, как война закончилась, про этот вид топлива несколько позабыли. Снова экспериментировать с водородом начала автомобильная компания BMW в 1979 году во времена топливного кризиса. Под конец XX века другие автомобильные компании также подключились к исследованиям.
Читайте так же: интересных фактов об автомобилях.
Нефтяные резервы рано или поздно подойдут к концу, поэтому роль альтернативных видов топлива на планете сильно выросла. Серьёзные экологические проблемы и желание получить энергонезависимость вовлекли многие страны в более глубокое изучение водородных технологий. Поэтому сегодня над водородными двигателями работают такие ведущие компании, как Honda, Ford, BMW, General Motors и другие.
Принцип функционирования водородного топлива
Водород при его экологически правильной генерации является самым чистым видом топлива. Конструкция водородных моторов достаточно проста. Бачок для топлива заполняется сжатым водородом.
Это вносит повышенные требования для топливного бака, он должен быть чрезвычайно прочным, чтобы выдержать давление до 300 бар. При движении автомобиль запускает в топливные элементы водород в виде топлива, обогащает его кислородом.
Вследствие химической реакции происходит выработка электричества.
Работа водородного двс
Распределение электричества поступает на центральный блок под капотом, который после этого в нужной мощности распределяет его на электродвигатель, находящийся на передней оси.
Водородное топливо гарантирует моментальную скорость реакции даже при минимальном уровне давления в системе подачи топлива.
Воздух не участвует в получении топливной смеси, а оказавшийся в камере сжигания пар на конечном этапе преобразуется в воду.
В автомобилях данного типа возможны два варианта установок: стандартные двигатели внутреннего сгорания и моторы, укомплектованные элементами на водороде. Каждый отдельный двигатель обладает своей спецификой и набором характеристик.
Как функционирует автомобиль на водороде
Точный пример работы автомобиля на водородном двигателе можно рассмотреть на примере автомобиля Toyota Mirai.
Именно эта компания в 2013 году продемонстрировала первую в мире машину на водородном двигателе, которая вышла серийно.
Mirai оснащён электромотором, включающий 370 топливных компонентов, где постоянный ток перетекает в переменный, а напряжение доходит до отметки 650 В. При этом такой автомобиль имеет возможность разгона до скорости 175 км/ч.
Дополнительный аккумулятор также накапливает энергетический запас. В таком виде машина может пройти 350 км.
Электромобиль на одном зарядке может продержаться на 200 км больше, но есть недостаток в длительной зарядке – 1,5-2 часа. Mirai вырабатывает около 200 мл воды за расстояние в несколько км.
В водородных двигателях применяются роторные ДВС из-за влияния водорода на поршни и смазочные материалы.
Тойота на водородном двигателе
Переделать стандартный мотор под водородный практически невозможно, для водорода конструкция должна быть чрезвычайно крепкой во избежание процесса детонации материалов. Некоторые автомобильные компании разрабатывают смешенные варианты, где вместо чистого водорода используется смесь обычного бензина и водорода. Чтобы не допустить перегрева, снижается поступление газа.
Такой тип использует компании Mazda и BMW, которые выпустили ограниченную партию подобных автомобилей. В них есть возможность автоматической переориентировки на иной вид топлива. Но подобные автомобили эксперты не могли назвать идеальными, так как резерва водорода хватало всего лишь на 200 км, а наличие бензина мешало определению автомобиля как экологически чистого транспортного средства.
В целом, работу водородных автомобилей можно в общих чертах сравнить с функционированием электромобилей с разницей лишь в источнике энергии.
Так же интересно: Toyota Corolla.
Узлы внутреннего сгорания
В стандартном двигателе времени, расходуемого на сгорание топливной смеси, необходимо больше, чем при работе мотора на водороде. Топливная смесь попадает в ячейку до времени достижения поршнем ВМТ. В случае с водородом смесь воспламеняется моментально. А для оптимальной работы двигателя необходимо давление не выше 4 атмосфер.
Оптимально водородные моторы функционируют в узле закрытого типа, то есть при работе не требуется получение кислорода извне.
Как побочный продукт работы топливной системы, образуется пар, который при проходе через радиатор, преобразуется в воду. Специальное устройство – элетролизер обеспечивает разделение воды от водорода.
Однако, большинство современных водородных конструктивов для необходимой реакции нуждаются в наличии кислорода.
Мотор на водородных топливных элементах
Водородными двигателями принять считать не только аппараты, функционирующие на водороде, но и двигатели, в которых применены топливные компоненты на водороде. Топливный водородный компонент является аналогом обычной батарейки. Такой аккумулятор с участием водорода обладает значительным КПД – приблизительно 50%. Механизм взаимодействует на основе химико-физических реакций.
Тело такого аккумулятора оснащено мембраной, она разделяет две ячейки с электродами: в одном происходит окисление, в другом – процесс восстановления. В ячейку с процессом окисления (анод) заходит водород, а в ячейку с катодом (восстановительная реакция) – кислород.
Электроды имеют платиновое напыление, это способствует функции катализатора, который воздействует на водород. Аналогично протоны поступают на катод и попадают под воздействие катализатора. Таким образом создаётся связь протонов и наружных электронов. При реакции образуется побочный продукт – вода, а сама реакция создаёт электричество.
Соответственно, двигатель функционирует благодаря топливному элементу на водороде. На одном заряде водородный мотор может проработать 200 км.
Однако, топливные компоненты имеют повышенную стоимость благодаря наличию в конструкции дорогостоящих металлов. Также водородные камеры подлежат замене через 250 тыс. км пробега.
Поэтому цена транспортного средства с водородным мотором стандартно выше, чем у привычных автолюбителю средств передвижения.
Что это такое трансмиссия АТМ
В настоящее время американскими учёными модернизируется разработка катализатора, в основание которого положены углеродные трубки. Данная разработка позволит в будущем снизить себестоимость автомобиля, при производстве которого можно обойтись без таких дорогостоящих металлов, как платина.
Заправка водородных автомобилей
Так как выпуск автомобилей с участием водорода является не сильно развитой отраслью, водородных заправок в мире критично мало. В 2018 году около 150 штук заправок приходилось на Американский континент, а ещё 150 штук разделялось между Японией, Китаем и Германией.
Существуют переносные мобильные установки для заправки водородным топливом, они могут произвести достаточно большое годовое количество водорода – около 1 тонны. С таким количеством водорода можно заправлять несколько автомобилей в день. Его производят путём электролиза воды в ночных условиях, чтобы не спровоцировать перегрузку сети.
Водородные заправки можно разделить на следующие виды:
- Мелкие. Изготавливают за сутки 20 кг топлива, что хватит в качестве топлива для 5 стандартных авто.
- Средние. Способны изготовить 50-1250 кг водорода, что хватит на 25 грузовиков или 250 легковых авто.
- Крупные. Объёмы производства – более 2500 кг водорода, что достаточно для 500 легковых авто.
Стоимость подобной водородной заправки – около 3 млн долларов. Учитывая большие сложности, количество таких заправок растёт небольшими темпами.
Проблемные моменты в эксплуатации
В настоящее время водородные двигатели не являются существенной альтернативой традиционным бензиновым моторам и не могут в полной мере их заменить. Одной из причин являются трудности с производством газа, так как этот процесс довольно дорогостоящий. Затруднительной также является процедура хранения, которая требует наличие температуры минус 253 градуса.
В период работы с водородом нужно отметить также следующие проблемы:
- Высокая взрывоопасность. Даже минимальный источник энергии может сдетонировать взрыв. Поэтому использовать водород нужно чрезвычайно аккуратно, ведь опасностью может быть даже чересчур тёплый воздух.
- Нюансы хранения. Для данной субстанции необходимы ёмкости большого объёма для избегания улетучивания, что становится проблематичным для применения в области легковых автомобилей.
- Повреждение поршней и цилиндров. Благодаря негативному влиянию водорода на цилиндропоршневую группу, необходимо применение специальных дорогостоящих материалов для двигателей.
Но исследователи в вопросах использования водорода в автомобильной промышленности не останавливаются и продолжают борьбу за развитие такого альтернативного источника питания.
Модели с водородным мотором
В настоящее время диапазон представленных на рынке автомобилей с водородом значительно расширяется. Из самых известных можно выделить следующие модели:
Мазда с водородным двигателем
Pininfarina H2 Speed
Эта итальянская машина имеет способность:
- Разгона до 100 км/ч за рекордно короткие 3,4 секунды.
- Максимальная возможность разгона – 299 км/ч.
- Но и стоимость такого авто более 2 млн долл.
Mercedes-benz GLC F-CELL
Авто имеет комбинированную систему, где совмещён аккумулятор и водородная конструкция.
- Резерв езды на электричестве – 50 км,
- На водороде – 430 км.
- Особенностью авто является возможность заряда от обычной электророзетки.
Классификация Mercedes-Benz по классам
Mercedes-benz GLC F-CELL
Toyota Mirai
Автомобиль японского производства:
- Проходит без дозаправок 502 км.
- Дополнительно оснащён сенсорными экранами, с помощью которых происходит навигационное управление.
- Возможность разгона авто – до 178 км/ч.
Toyota Mirai
Honda Clarity
Это 5-ти местный автомобиль семейного типа.
- Запас для поездки без дозаправки у этого авто – рекордные 600 км.
- При этом на заправку требуется всего пара минут.
Видео 22:00 минуты. Обзор «Клара Хондовна» Honda Clarity
Преимущества водородных автомобилей по сравнению с электрокарами
Данное сравнение часто оспаривают эксперты, поскольку автомобили на водороде также входят в разряд электромобилей. Водородные составляющие, в отличие от аккумуляторов, являются более долговечными, ведь срок службы двигателя в обычном электромобиле невелик.
Водород хорошо себя показал при холодном пуске автомобиля при отрицательных температурах воздуха, когда двигатель электромобиля не справляется с воздействием температур. Заправка водородных автомобилей также считается преимуществом, так как выполняется за несколько минут. Но электрокары имеют более низкую стоимость по сравнению с машинами на водороде.
Плюс и минус водородного ДВС
Достоинства и недостатки водородных моторов
Водородные двигатели имеют преимущества, которыми не обладают другие типы моторов:
- производительность без создания посторонних шумов;
- высокий КПД водородного двигателя;
- повышенная экологичность (побочный продукт только вода);
- хороший уровень мощности;
- простота в устройстве функционала.
Среди отрицательных характеристик выделяется высокие затраты на производство водорода и сложный уровень хранения. При производстве конструкция требует увеличения веса транспортного средства. Также отмечается высокая взрывоопасность водородных составляющих.
Есть ли будущее у водородного двигателя
Автомобильные эксперты продолжают трудиться над идеальным автомобилем, имеющим водородный двс. Некоторые такие машины по разным показателям превосходят электрокары, поэтому такая работа продолжается. Трудности в основном заключены в процессе заправки, так как сеть заправочных пунктов остаётся неразвитой до сих пор.
Также производители совершенствуют гибридные авто, где совмещают водород с бензином или с возможностью работы машины на электричестве. Основным недостатком многие специалисты считают взрывоопасность водорода.
Подробно напишу в х
Заключение
Несмотря на все указанные преимущества и недостатки автомобилей на водородном топливе, такие технологии могут посоперничать с привычными бензиновыми автомобилями или с электромобилями. Чем более будет развита в будущем сеть водородных авто, и чем больше будет заправочных водородных станций, тем легче будет использовать такие автомобили.
Это может привести к увеличению популярности водородных моторов и, соответственно, снижению их стоимости при производстве. Поэтому данный вид транспорта вполне имеет шанс на развитие и новые исследования.
Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах
В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.
Когда появились первые автомобили на водороде?
Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine). 
Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем. Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях. Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.
В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.
На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.
А где брать водород?
Водород можно получать разными методами:
- паровая конверсия метана и природного газа;
- газификация угля;
- электролиз воды;
- пиролиз;
- биотехнологии.
Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия.
Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз. Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%.
Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород. Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой. 
Источник Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.
Как работает топливная система и какие есть варианты?
Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.
На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.
Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию. В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт.
Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию. Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм).
Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.
По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.
Такие автомобили опасны? Почему?
Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.
Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля. 
Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.
В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место. Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.
Какой срок службы у топливных ячеек?
Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.
Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?
Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки.
К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.
В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.
Сколько это стоит?
В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации.
Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57.
И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.
Чем водородные авто лучше электромобилей?
Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством. Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США.
Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.
Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки. Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс.
циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.
Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.
Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник) Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.
Двигатель на водородном топливе. Кратко обо всем
Двигатель на водородном топливе – интересная и далеко не всем известная тема. Давайте поговорим и разберемся с этим вопросом.
В конце лета прошлого года Toyota опубликовала официальные данные о новом мировом рекорде прохождения расстояния на одной заправке водородного автомобиля. 23 и 24 августа водородный седан Toyota Mirai проехал 1360,378 км без дозаправки, тем самым установив новый рекорд Гиннесса.
Интерес к водородным автомобилям постоянно увеличивается во всем мире. Это обусловлено тем, что водород является на 100% экологически чистым топливом и многие европейские державы уже в ближайшее десятилетие полностью хотят отказаться от ДВС.
Toyota Mirai
Но, не смотря, на популярность такого вида топлива на западе, в нашей стране мало кто знает, про водородные автомобили. Давайте исправим это упущение и подробно разберемся в этом вопросе.
Что же такое водородное топливо? Как устроен двигатель на водородном топливе? Какое будущее у таких автомобилей?
Для начала обратимся к истории
Еще в далеком 1806 году, французским изобретателем Франсуа Исааком де Ривазом была придумана некая технология. Которая при помощи электролиза воды производила водород.
Через 35 лет в Великобритании был выдан первый патент на водородный двигатель. А уже в 1852 году в Германии был создан двигатель внутреннего сгорания, который работал на воздушно-водородной смеси.
Затем потребовалось около 100 лет, что бы автомобиль от компании General Motors, именуемый Electrovan, стал первым автомобилем на водородных топливных элементах. Но, к сожалению, этот автомобиль был демонстрационным единичным экземпляром, который передвигался только по территории завода.
Нефтяные кризисы 70-х годов двадцатого века подтолкнули BMW создать в 1979 году автомобиль с водородным двигателем.
Россия не стала исключением. В начале 2000-х АвтоВАЗ разработал первые отечественные автомобили на водороде – АНТЭЛ-1 и АНТЭЛ-2. И уже в 2001 году АНТЭЛ-1 был готов. Он был собран на базе «Нивы» (ВАЗ-2131). А в 2003 году на свет появилась более совершенная модель отечественного водородного автомобиля на базе ВАЗ-2111 – АНТЭЛ-2.
Lada АНТЭЛ-1
Lada АНТЭЛ-2
К середине 2000-х американцы сделали футуристичный концепт Chevrolet Sequel. А после мелкосерийно оборудовали Chevrolet Equinox водородными элементами.
В 2007 году BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7. Которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Минусом было то, что баллона с газом хватало всего на 200-250 км. К тому же, и цена была очень высокой.
В 2011 году в Германии было выпущено 13 экспериментальных Mercedes B-класса F-cell. В 2014-м VW Group представил три модели на водороде: Audi A7 e-tron, Volkswagen Golf и Passat американского типа.
И вот, наконец-то в 2014 году был выпущен первый серийный водородный автомобиль – Toyota Mirai. На сегодняшний день, подобные модельные решения есть у многих автопроизводителей.
Об устройстве двигателя на водородном топливе
Мы познакомились с историей появления водородных двигателей. Теперь давайте рассмотрим, что это за двигатель и как он устроен? Разберем плюсы и минусы.
Водородный автомобиль – это тот же самый электромобиль. Но отличие состоит в том, что в электрокарах стоит литиевая батарея. А в водородных авто топливный элемент, который при помощи химической реакции питает электроэнергией двигатель.
Теперь более подробно: На специальных заправках, автомобиль заправляется сжатым водородом, который поступает в топливный элемент. Реакция происходит внутри ячеек топливного элемента.
Ячейки состоят из пары пористых электродов, анода (-) и катода (+), которые в свою очередь разделяются мембраной, покрытой слоем катализатора, чаще всего платиной. На анод из баллона подается водород, а на катод — кислород из воздухозаборника. Далее происходит химическая реакция.
Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны задерживаются и создают напряжение. Выработанное электричество питает электромотор.
Устройство двигателя на водородном топливе
Однако стоит отметить, что водородный двигатель применяется не только для легковых личных автомобилей. Но и в другом транспорте, например:
- поезда;
- автобусы;
- самолеты;
- подводные лодки;
- рыболовецкие суда;
- электрокары для гольфа;
- складские погрузчики.
Плюсы и минусы водородного двигателя
Плюсы:
- Экологичность. В результате работы двигателя выделяется вода и никакого диоксида углерода;
- Высокая эффективность. У двигателя внутреннего сгорания КПД составляет около 35%, а у водородного — свыше 45%. Если брать эквивалентные по энергоемкости объемы топлива, то на водороде автомобиль сможет проехать в 2,5-3 раза больше, чем на бензине;
- Бесшумная работа двигателя;
- Быстрая заправка. В среднем 3-5 минут, что в сравнении с электрокарами – очень быстро.
Минусы:
- Высокая стоимость. Водород почти в 3 раза дороже бензина. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Однако, по прогнозам, после 2030 года цена на водород снизится на 30%.
- Инфраструктура. Водородные заправки на сегодняшний день, все еще большая редкость.
- Производство. Хоть само топливо экологично, но вот при его производстве используется паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды.
По сравнению с электрокарами, водородные автомобили стоят немного дешевле, но топливо получается в 3 раза дороже.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность.
Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — на десять- пятнадцать лет. При этом водородные аккумуляторы не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать простой вывод: водородные двигатели – экологически чистый тип двигателей. В будущем им определенно отведено особое место, рядом с электрокарами и гибридными двигателями. Остается, надеется, что стоимость эксплуатации водородного автомобиля снизится и в нашей стране они завоюют свою популярность.
Водородные автомобили: 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 H2 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 H2 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.
Загрузка...
