Принцип водородного двигателя: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр

как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр

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 внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

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.

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.

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.

Содержание статьи

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. 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.

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.

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.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

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.

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.

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.

Читайте также

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

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? 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 степень сжатия.
• 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 H₂ 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 H₂, 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:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. 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 H₂O для последующей реакции с O₂.

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 H₂, а в катодную камеру — O₂. 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:

• НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.
• НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
• НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
• В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

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.

Плюсы:

• 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 H₂ — 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:

• СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ H₂ ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы H₂ быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного H₂ равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
• ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.
• НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения H₂ в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение H₂ невозможно.
• ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

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 H₂ 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 H₂ 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 H₂ 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 H₂. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H₂ 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 H₂ 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 H₂ 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 H₂ 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 H₂, 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:

• ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).
• АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.
• АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

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.

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.

Водородный двигатель

Водородный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород.

 

История водородных двигателей

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

                                          

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

 

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая — 350 км.

 

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. 

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

                                                                    

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.  

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана.  С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота». Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство.

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

• Honda Motor,
• Volkswagen,
• General Motors,
• Daimler AG,
• Ford Motor,
• BMW и так далее.

Как работает водородный двигатель?

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

• авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его с бензином. КПД такого двигателя 90–95%, тогда как дизельного — 50%, а бензинового — 35%. Такие автомобили соответствуют стандарту «Евро-4»;
• водородный автомобиль со встроенным электродвигателем, который питает основной топливный элемент, установленный на борту. Сейчас созданы авто с КПД выше 75%;
• обычные автомобили, работающие на смеси или чистом водороде. Выхлоп намного чище, а КПД «подрастёт» примерно на 20%.

Как работает водородный двигатель? Выделяют 2 типа силовых установок по принципу работы:

• водородные двигатели внутреннего сгорания. Используется роторный двигатель;
• силовые установки на топливных водородных элементах — их принцип работы построен на химической реакции. Корпус элемента имеет мембрану, проводящую только протоны и разделяющую камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подводят водород, в камеру катода подводят кислород. Электроды покрывают слоем катализатора, например, это платина. Молекулярный водород теряет электроны под воздействием катализатора. Протоны через мембрану проводятся к катоду, под воздействием катализатора в результате соединения с электронами образуется вода. Из камеры анода электроны уходят в электрическую цепь, которая подсоединена к двигателю. Так образуется ток для питания мотора.

Достоинства водородного двигателя:

• продукт горения водорода — вода. А значит, это самое экологически чистое топливо;
• мощность, приёмистость и иные показатели двигателя выше, чем у стандартного — электроэнергия обеспечивает их сполна;
• низкий уровень шума;
• простота обслуживания — не нужна сложная трансмиссия, а трущихся деталей меньше;
• низкая себестоимость эксплуатации транспорта;
• меньший расход топлива и большая скорость заправки;
• более высокий запас хода;
• водород имеет большой потенциал в качестве альтернативного вида топлива, так как он может быть получен из различных источников, в том числе солнечной энергии или ветра;
• основное сырьё — вода — бесплатное.

Недостатки водородного двигателя:

• Использование топливных элементов в обычном двигателе чревато пожаром или взрывом из-за его устройства.
• Стоимость их также весьма высока.
• Вес автомобиля увеличивается в результате использования преобразователей тока и мощных аккумуляторов.
• Процесс получения из воды водорода пока тоже недёшев, как и транспортировка нового топлива.
• Прогнозируются и экологические проблемы — увеличение в атмосфере количества водорода может пагубно сказаться на озоновом слое Земли.
• Производство аккумуляторов – также вредный для окружающей среды процесс.
• Одной из проблем транспортных средств на водороде является высокая стоимость платины, необходимой для химической реакции в двигателе.
• Отсутствие водородных заправочных станций делает водородные автомобили неконкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями.
• Не решён вопрос о хранении. На сегодняшний день предлагается хранить в сжиженном виде либо под высоким давлением, но исследования продолжаются.

Водородные топливные элементы

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

• для тракторов,
• локомотивов,
• подводных лодок,
• вертолётов,
• в автомобиле для гольфа,
• на мотоцикле.

Для автомобилей с водородным двигателем и автобусов используются элементы на протонно-обменной мембране (PEM), они компактны и мало весят.

Авто на водороде

• Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
• Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
• Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
• Часть автобусов MAN работает на водороде.

Водородные двигатели будущего

• Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
• Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
• Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
• К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

Водородные двигатели: принцип работы машин на водородном топливе, плюсы и минусы

Водородный двигатель в последние годы всё чаще рассматривается многими производителями транспортных средств в качестве достойной альтернативы традиционным ДВС, работа которых обеспечивается «чёрным золотом». Перспектива использовать такой двигатель в будущих десятилетиях была оценена ещё во времена блокады Ленинграда, когда Борис Шелищ сумел разработать, а также внедрить метод перевода бензиновых двигателей на использование водородного топлива. Однако до настоящего времени предпочтение отдавалось исключительно конкурирующим технологиям, к числу которых можно отнести электромобиль и гибридный автомобиль.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н₂О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Преимущества и недостатки

С практической точки зрения все плюсы и минусы водородных силовых агрегатов в условиях современного автомобилестроения очевидны и обусловлены их техническими характеристиками. К неоспоримым преимуществам относятся следующие факторы:

• абсолютно бесшумная работа;
• высокие показатели экологической чистоты;
• очень достойный коэффициент полезного действия;
• меньшее количество токсичных выбросов в атмосферу;
• гарантированно высокая мощность и производительность;
• конструктивная простота и отсутствие ненадёжных систем топливной подачи.

Среди значимых недостатков можно выделить сложность и дороговизну получения топлива в промышленных объёмах, отсутствие регламента хранения и транспортирования. Вес машины естественным образом заметно увеличится, что обусловлено необходимостью установки на транспортное средство тяжёлых токовых преобразователей и мощных аккумуляторных батарей.

Специалисты отмечают также высокую опасность использования водорода, связанную с риском появления взрыво- и пожароопасной ситуации при взаимодействии с разогретым выпускным коллектором и моторными маслами. Сегодня цена одного килограмма водорода составляет порядка 8-9 американских долларов, поэтому при расходе 1,2-1,3 кг на 100 км, средняя стоимость такой поездки вполне сопоставима с эксплуатацией традиционного бензинового автомобиля.

Модели с водородным двигателем

Работы по разработке и производству реально функционирующего прототипа инновационного автомобиля обходятся примерно в миллион долларов. Самые крупные автомобильные концерны располагают такими суммами, но крайне редко считают вложение средств в подобные проекты высокодоходным мероприятием.

Honda FCX Clarity

Модель имеет силовую установку в виде водородных топливных элементов. Лизинговые продажи стартовали в Америке 11 лет назад, а для заправки топливом разрабатывалась очень компактная по размерам энергетическая станция (Home Energy Station). Подсистема разгона и торможения в этом автомобиле оснащена эксклюзивным ионистором в виде супер-конденсатора без наличия традиционных «обкладок». Запас хода на одном заряде составляет 700 км. Розничная цена модели – почти 63 тысячи американских долларов.

Hyundai Tucson/ix35 FCEV

Внедорожник класса «К1» был запущен в серийное производство шесть лет назад. Модель, занявшая лидирующие позиции в области использования водородного топлива, отличается компактными размерами. Автомобиль оснащён силовой установкой, представленной двумя газовыми баллонами, которые заполняются сжатым водородом под давлением 700 атм. В динамике эта машина очень хороша, но оптимальный вариант – городской цикл езды.

Hyundai Nexo

Южнокорейская модель второго поколения водородных кроссоверов отличается не только новой платформой, но также лёгким кузовом, аккумуляторной батареей в багажнике и улучшенным строением топливных элементов. Объём трёх одинаковых по размерам баков составляет 52,2 л водорода. Модель была протестирована за Полярным кругом, где довольно легко подтвердила свою работоспособность в суровых климатических условиях.

Toyota Mirai FCV

Японский водородный экомобиль – это новая эра автомобилестроения. Для четырёхдверного седана характерно наличие заметно улучшенной силовой установки, модернизированных и усовершенствованных агрегатов. В модели Тойота Мирай установлены высокоэффективные водородные топливные элементы FC stack и синхронный электрический двигатель переменного тока. Запас хода на одном заряде двух заправочных баллонов составляет 650 км.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива. Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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.

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:

1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
3. 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

• Audi A7 h-tron quattro;
• Hyundai Tucson FCEV;
• Mazda RX-8 Hydrogen RE;
• Автобус Ford E-450;
• Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

• 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.

Давай, оцени статью!

Средняя оценка 4.1 / 5. Количество оценок: 31

На сегодняшний день практически все мировые автопроизводители ведут активные разработки машин, работающих на экологически чистом виде топлива. Специалисты говорят, что уже через 15-20 лет мир полностью перейдет на такой вид транспорта. Пока лидерство в этом деле сохраняет компания «Тойота». После выпуска знаменитого «Примуса» японцы решили пойти дальше и разработать еще один экологически чистый автомобиль — Toyota Mirai с водородным двигателем. В сегодняшней статье мы рассмотрим все особенности данной новинки, а также перечислим все преимущества и недостатки использования водородных машин.

Характеристика

«Тойота Мирай» — это один из первых седанов японского производства, который компания решила выпускать в серийном масштабе. Кстати, решение назвать данную модель Mirai было вполне оправданным, ведь в переводе с японского это слово означает «Чистое будущее».

Интересный факт

Стоит отметить, что «Мирай» не самый первый в мире автомобиль с водородным двигателем. «Тойота» занимается разработкой гибридных моделей авто начиная с 1997 года. Именно тогда мировая публика увидела первый автомобиль с водородным двигателем в виде концепт-внедорожника модели FCHV. Однако запускать его в масштабное серийное производство японцы так и не решились. Чаще всего данный джип можно было встретить в госучреждениях и организациях, которые занимались тестированием данного вида транспорта. Кстати, водородный двигатель объединяет BMW и Toyota. Немцы заключили контракт с японскими инженерами и до 2020 года планируют создать новый экологически чистый седан BMW Hydrogen 7-й серии.

Плюсы водородного автомобиля

Для начала о преимуществах. Начнем с того, что двигатель на водородном топливе не выделяет никаких загрязняющих веществ, в отличие от дизеля и бензина. Стоит отметить и низкую себестоимость эксплуатации данного вида транспорта. Само топливо (водород) можно получать как в малых, так и крупных масштабах. Это позволит значительно стабилизировать ситуацию с постоянно меняющимися ценами на горючее и более рационально распределять энергетические ресурсы в мире.

Какие имеет минусы двигатель на водородном топливе?

Теперь поговорим о недостатках. Основной минус данного вида транспорта заключается в том, что водородный двигатель («Тойота FCV» в том числе) более взрывоопасен, чем классические дизельные и бензиновые аналоги. Это объясняется особым химическим составом водорода. Кстати, кроме взрывоопасности он отличается высокой летучестью. Эта характеристика значительно усложняет транспортировку и заправку автомобилей водородом. Также эксперты говорят, что обслуживание подобной установки будет более затратным, чем например ремонт дизельного ДВС (в силу малого количества работников, знающих толк в данной сфере). Ну и, конечно же, отсутствие водородных заправочных станций. В мире таких лишь единицы, потому использовать сейчас такие автомобили весьма трудно (тем более что заправить такую машину можно только при помощи специального оборудования).

Вопросы снабжения

Основная проблема водородных авто – отсутствие АЗС, на которых их можно было бы заправлять. Именно поэтому миру более актуальны электрокары, так как они заряжаются от обыкновенной розетки и даже на ходу, если на крыше есть солнечная батарея. Но производство водородных станций уже набирает темпы. Уже известно о планах строительства 20 таких АЗС в Калифорнии. Если продажи будут расти, количество заправок увеличат вдвое. Кстати, этот штат был выбран неспроста – именно в Калифорнии начнутся старты продаж водородных «Тойот». Но о продажах мы поговорим в конце статьи, а пока давайте рассмотрим экстерьер новинки.

Дизайн

Внешний облик новой «Тойоты Мирай» весьма впечатляющий. Сразу в глаза бросается массивный агрессивный «передок» с суровым широким бампером и раскосыми фарами. Решетка радиатора – это, пожалуй, самый мелкий и незначительный элемент в экстерьере.

Интерьер

Внутренняя часть автомобиля словно часть космического корабля – масса кнопок, экранов, датчиков и всякой другой всячины. Что интересно, японцы не решились тратить деньги на разработку двух вариантов компоновки интерьера – для европейского и для внутреннего рынка. Проблему с перестановкой руля они решили очень просто, разместив все важные информационные приборы посредине торпеды.

Технические характеристики

«Тойота» выпустила машину с водородным двигателем, имеющим большой запас мощности. Силовая установка, по словам производителей, будет иметь 153 лошадиные силы, чего вполне достаточно как для автомобиля такого класса. О других двигателях японцы не говорят, и, скорее всего, на рынок выйдет только одна модификация новинки со 153-сильным экологически чистым агрегатом. Водородный двигатель («Тойота Мирай» 2015 года выпуска) работает на специальных топливных ячейках. Внутри последней происходит реакция, в которой принимают участие водород и кислород. В результате химического взаимодействия вырабатывается мощная энергия, которая питает электромотор.

Динамика и затраты эксплуатации

Производитель говорит, что по динамическим характеристикам Toyota с водородным двигателем ничем не отличается от своих бензиновых аналогов. Разгон с нуля до «сотни» оценивается в 9 секунд. При этом инженеры отмечают низкую себестоимость поездок.

Как работает двигатель на водороде?

Наверняка каждый из нас задумывался о принципе действия данного агрегата. Что же, давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель на самом деле.

Основной движущей силой данных машин является электрохимический генератор (некий топливный элемент). У японцев он называется FC Stack. Внутри электрохимического генератора происходит реакция, в результате которой происходит окисление водорода. Именно в этот период вырабатывается нужная энергия, которая потом перенаправляется в компактный аккумулятор. Последний выполняет функцию питания электродвигателя, который и приводит машину в действие. В каком виде вырабатывает отходы водородный двигатель? «Тойота Мирай» не зря называется экологически чистой машиной, так как из ее выхлопной трубы исходят вовсе не ядовитые газы, а обыкновенная вода.

Все это очень хорошо, однако есть сила, препятствующая развитию данного вида транспорта. Основная проблема заключается в том, что процессы изготовления топлива для водородных авто на данный момент недостаточно развиты и требуют больших денежных затрат. Тем более что при создании водорода задействуются такие компоненты, как уголь и метан. Они очень сильно загрязняют атмосферу, а потому смысла в использовании таких двигателей ради «сохранения окружающей среды» нет. Конечно, отходов от сгорания данного топлива нет (чистая вода), но чтобы его приготовить, нужно значительно испортить атмосферу грязными выбросами. Поэтому все больше специалистов ищут замену теперешним ДВС в солнечных батареях.

Кстати, водород не относится к какому-либо уникальному виду топлива, который может использоваться только на одном типе двигателей. Исследования показали, что этот продукт вполне реально применять и на классических моторах с внутренним сгоранием. Однако после такой реакции есть последствия. Дело в том, что водород при сгорании в ДВС выделяет лишь 1/3 от той энергии, которую он произвел бы на специализированном агрегате. Правда, инженерам удалось исправить этот недостаток. Благодаря измененной системе зажигания КПД таких двигателей не снижается, а, напротив, увеличивается почти в 1,5 раза от обычного, что делает эксплуатацию этого топлива более благоприятной и разумной с экологической и финансовой точки зрения.

Но все же неприятности были подмечены не только в области КПД. И если коэффициент полезного действия инженерам удалось увеличить методом усовершенствования системы зажигания, то с такими проблемами, как высокая температура горения в камере, прогар поршней и клапанов, они справиться не в силах. Кстати, при длительной работе водород способен вступать в реакцию с другими составляющими мотора, в том числе и со смазкой. А без нее двигатель очень быстро изнашивается. Кроме этого, водород в силу своей летучести может проникать в выпускной коллектор и там воспламеняться. Что касается роторных ДВС, они в силу простой конструкции и большого расстояния между коллекторами являются более благоприятными для использования подобного топлива в качестве основного. На этом вопрос, как работает водородный двигатель, можно считать закрытым.

О стоимости

По словам производителя, старт продаж автомобилей «Тойота Мирай» состоится весной 2015 года. Сначала новинка будет доступна только на внутреннем рынке, а уже летом она появится на европейском и американском рынках. Стартовая цена водородной «Тойоты» составляет 57,5 тысячи долларов. Кроме этого, компания предлагает приобрести данное авто в кредит с ежемесячной оплатой в 500 долларов США. Бонусом станет возможность бесплатной заправки автомобиля в течение года на АЗС Калифорнии.

Пока у японской «Тойоты» нет конкурентов среди водородных автомобилей. По крайнее мерее, так будет до 2016 года. Дело в том, что в марте 2016-го на рынок выходит новый водородный автомобиль Honda FCV. Но насколько популярным она будет, мы прогнозировать не станем, а пока дождемся старта продаж новой «Тойоты Мирай».

Заключение

Итак, мы выяснили, почему он такой особенный и как работает водородный двигатель. «Тойота» — один из первых автопроизводителей, который всерьез задумывается запустить в массовое производство свой «экологически чистый продукт». Правда, пока не будет решена проблема с заправочными станциями и более дешевым способом получения водорода, компанию вряд ли ждет большой успех в сфере продажи подобных машин.

http://voditelauto.ru/vodorodni-dvigateli/
http://motorist.guru/modeli/vodorodnyj-avtomobil.html
http://fb.ru/article/165610/vodorodnyiy-dvigatel-toyota-toyota-mirai-s-vodorodnyim-dvigatelem

Как работают автомобили на водородных топливных элементах?

При преобразовании газообразного водорода в электричество в качестве побочного продукта образуется только вода и тепло. Это означает, что автомобили на топливных элементах не загрязняют выхлопные трубы, когда они находятся в движении. Производство водорода само по себе может привести к загрязнению, включая выбросы парниковых газов, но даже когда топливо поступает из одного из самых грязных источников водорода, природного газа, современные легковые и грузовые автомобили с топливными элементами ранних моделей могут сократить выбросы более чем на 30 процентов по сравнению с их Бензиновые аналоги.Будущие стандарты возобновляемого топлива, такие как требования, действующие в настоящее время в Калифорнии, могут сделать водород еще чище.

Поскольку автомобили на топливных элементах только начинают выходить на рынок США, заинтересованные водители должны убедиться, что они живут рядом с водородными заправочными станциями.

Характеристики водородного топливного элемента

Автомобили, работающие на водородных топливных элементах, сочетают в себе запас хода и заправку обычных автомобилей с преимуществами для отдыха и окружающей среды от езды на электричестве.

Заправка автомобиля на топливных элементах сравнима с заправкой обычного автомобиля или грузовика; водород под давлением продается на станциях заправки водородом, для заправки существующих моделей требуется менее 10 минут. Некоторые договоры аренды могут полностью покрывать расходы на заправку. После заправки запасы хода автомобиля на топливных элементах различаются, но аналогичны диапазонам автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (200–300 миль). По сравнению с аккумуляторными электромобилями, которые заряжают свои батареи путем подключения к электросети, сочетание быстрой централизованной дозаправки и увеличенного запаса хода делает топливные элементы особенно подходящими для более крупных транспортных средств, требующих больших расстояний, или для водителей, у которых отсутствует доступ к подключению к электросети. дом.

Как и другие электромобили, автомобили и грузовики на топливных элементах могут использовать режим холостого хода, при котором топливный элемент отключается при появлении знаков остановки или в движении. В определенных режимах движения рекуперативное торможение используется для улавливания потерянной энергии и зарядки аккумулятора.

Отличия автомобилей на топливных элементах от других электромобилей

Аккумуляторные электромобили работают от электродвигателя и аккумулятора. Это обеспечивает им повышенную эффективность и, как автомобили на топливных элементах, позволяет им ездить без выбросов, когда электричество поступает из возобновляемых источников.В отличие от автомобилей и грузовиков на топливных элементах, аккумуляторные электромобили могут использовать существующую инфраструктуру для подзарядки, но должны быть подключены к сети на длительное время. Узнайте больше о том, как работает электрика аккумуляторной батареи.

Подключаемые гибридные электромобили похожи на аккумуляторные электромобили, но также имеют обычный бензиновый или дизельный двигатель. Это позволяет им ездить на короткие расстояния только на электричестве, а в дальних поездках переходить на жидкое топливо. Хотя гибриды с подзарядкой от электросети и не такие чистые, как электромобили или автомобили на топливных элементах, они производят значительно меньше загрязнения, чем их обычные аналоги.Узнайте больше о том, как работают автомобили с подзарядкой от сети.

Обычные гибриды также имеют обычные двигатели, электродвигатель и аккумулятор, но не могут быть подключены к электросети. Несмотря на то, что они чище, чем обычные легковые и грузовые автомобили, гибриды без подключения к электросети получают всю свою энергию от бензина и дизельного топлива и не считаются электромобилями. Узнайте больше о том, как работают гибриды.

Узнайте больше о технологиях для электромобилей, включая их потенциал в качестве общенационального решения для экономии масла.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

Век 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 эффективность использования топлива. от существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств 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 разберемся, 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 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.

Как топливный элемент вырабатывает электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим. реакция. Это химическая реакция, потому что она включает соединение двух химических веществ. вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам батареи. Это имеет положительно заряженный вывод (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый) держать их отдельно. (Думайте об этом как о бутерброде с ветчиной. Два клеммы — это куски хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

1. Газообразный водород из резервуара (показан здесь большими коричневыми каплями) подается по трубе к положительной клемме.Водород легковоспламеняющийся и взрывоопасен, поэтому танк должен быть очень сильным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) спускается по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительный полюс (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла. разработан, чтобы ускорить химический процесс, происходящий в топливном элементе. Когда атомы газообразного водорода достигают катализатор, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные капли). Если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами.Поскольку для начала у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательному выводу (синий) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки. и только протоны могут проходить через него.
5. Тем временем электроны проходят по внешнему контуру.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля.В конце концов, они тоже достигают отрицательной клеммы (синей).
7. На отрицательном полюсе протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает полимерную обменную мембрану или протонообменную мембрану, потому что она включает обмен протонами через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение Фактор — это количество водорода в баке.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для транспортных средств, 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 всем! Но есть загвоздка: тыкайся 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!

Электролизеры и электролизеры

Электролизер — это часть электрохимического аппарата (что-то который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для выполнять электролиз: расщеплять раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество.Электролиз был впервые был введен в 18 веке британским химиком сэром Хамфри Дэви. (1778–1829), который использовал примитивную батарею под названием Гальваническая свая открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химикаты упакованы в герметичный контейнер с двумя электрические клеммы погружаются в них. При подключении клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакцию внутри контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизере вы помещаете раствор в емкость и окунаете два клеммы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому источник питания и пропускать электричество через раствор. Химическая происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если раствор, который вы используете, — чистая вода (h3O), вы обнаружите, что она быстро распадается в газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на положительный электрод).Их относительно легко собирать и хранить газы для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергии. Свет (от Солнца) попадает в солнечную батарею (синий прямоугольник слева), делая электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. (собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический ящик справа), производящий электричество и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца любезно предоставлены Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит водород из воды:

1. Аккумулятор соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования твердой полимерной мембраны в качестве электролита, которая позволяет ионам перемещаться через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показаны здесь в виде двух красных капель, соединенных с одним зеленым) разделяется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов показаны красным цветом) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показаны зеленым).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному полюсу и попарно рекомбинируют с образованием газообразного водорода. (h3).
4. Точно так же отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и попарно рекомбинируют там с образованием газообразного кислорода. (O2).

Почему топливные элементы так долго приживаются?

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 восстает 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 космос Аполлона ракеты впервые продемонстрировали практичность этой технологии. 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. Вы можете купить обычную машину 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 2020 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет сдать в аренду за относительно низкую плату. скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная 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 в них 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 заправлять его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Проблема 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, их эффективность может составить около 10 процентов. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохой старт — а это всего лишь 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 пятой части 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! Мы могли бы использовать солнечные элементы для электролиза воды «для бесплатно », но мы могли бы с таким же успехом 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. отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водород. автомобили как «автомобили для дурацких камер».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди до сих пор ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области электроэнергетики. Если 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.Некоторые из этих вещей могут измениться со временем по мере развития и развития двух конкурирующих технологий — водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока масло не станет дороже, у автомобилистов будет мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть соперники технологии, которые могут остановить распространение автомобилей на топливных элементах. Мы могут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые заряжаются на дом.Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, увеличат мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас 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.

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, включая то, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какую экономию топлива можно ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• California Fuel Cell Partnership: Промышленное лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. На сайте много полезной справочной информации.
• Водородная экономика: всестороннее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвине: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.

Статьи

• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в экологически чистые «силовые установки» Джиллиан Эмброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 года.Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные электрогенераторы.
ИБП
• для развертывания гибридов топливных элементов / аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым выбросом, Мария Галуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки топливных элементов начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
• Сначала появились водородные автомобили. Теперь заправочные станции Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 года. Если великая водородная экономика когда-либо собирается взлететь, нам понадобится намного больше водородных станций.
• Почему в автомобильном будущем будут доминировать топливные элементы Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
• Битва автомобилей с нулевым уровнем выбросов: водородные или электрические? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 года. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения диапазона электромобилей.
• «Автомобили на водородных топливных элементах» возвращаются для очередного пробега Лоуренса Ульриха.The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
Переносная солнечная электростанция
• очищает воду и производит водород, Вилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях позволяет очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
• Наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы от Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как топливные элементы могут быть использованы для производства электричества в доме.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать как небольшие приборы, так и автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономия

Электролизеры и ионный обмен

Патенты

• Патент США 7241950: Электролиз воды на солнечных батареях для получения водорода и кислорода, автор Qinbai Fan и др., Институт газовой технологии, 10 июля 2007 г.Современный высокоэффективный электролизер на солнечной энергии.
• Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода, Джакомо Фаузер, 27 мая 1924 г. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Деятельность

• [PDF] Работа с топливными элементами НАСА: Очень маленькая активность для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​заправить его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2018) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

Век 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 эффективность использования топлива. от существующих автомобилей.В долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств 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 разберемся, 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 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.

Как топливный элемент вырабатывает электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим. реакция. Это химическая реакция, потому что она включает соединение двух химических веществ. вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам батареи. Это имеет положительно заряженный вывод (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый) держать их отдельно.(Думайте об этом как о бутерброде с ветчиной. Два клеммы — это куски хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

1. Газообразный водород из резервуара (показан здесь большими коричневыми каплями) подается по трубе к положительной клемме. Водород легковоспламеняющийся и взрывоопасен, поэтому танк должен быть очень сильным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) спускается по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительный полюс (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла. разработан, чтобы ускорить химический процесс, происходящий в топливном элементе.Когда атомы газообразного водорода достигают катализатор, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные капли). Если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку для начала у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательному выводу (синий) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки. и только протоны могут проходить через него.
5. Тем временем электроны проходят по внешнему контуру.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля. В конце концов, они тоже достигают отрицательной клеммы (синей).
7. На отрицательном полюсе протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает полимерную обменную мембрану или протонообменную мембрану, потому что она включает обмен протонами через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение Фактор — это количество водорода в баке.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для транспортных средств, 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 всем! Но есть загвоздка: тыкайся 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!

Электролизеры и электролизеры

Электролизер — это часть электрохимического аппарата (что-то который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для выполнять электролиз: расщеплять раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество.Электролиз был впервые был введен в 18 веке британским химиком сэром Хамфри Дэви. (1778–1829), который использовал примитивную батарею под названием Гальваническая свая открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химикаты упакованы в герметичный контейнер с двумя электрические клеммы погружаются в них. При подключении клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакцию внутри контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизере вы помещаете раствор в емкость и окунаете два клеммы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому источник питания и пропускать электричество через раствор. Химическая происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если раствор, который вы используете, — чистая вода (h3O), вы обнаружите, что она быстро распадается в газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на положительный электрод).Их относительно легко собирать и хранить газы для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергии. Свет (от Солнца) попадает в солнечную батарею (синий прямоугольник слева), делая электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. (собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический ящик справа), производящий электричество и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца любезно предоставлены Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит водород из воды:

1. Аккумулятор соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования твердой полимерной мембраны в качестве электролита, которая позволяет ионам перемещаться через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показаны здесь в виде двух красных капель, соединенных с одним зеленым) разделяется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов показаны красным цветом) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показаны зеленым).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному полюсу и попарно рекомбинируют с образованием газообразного водорода. (h3).
4. Точно так же отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и попарно рекомбинируют там с образованием газообразного кислорода. (O2).

Почему топливные элементы так долго приживаются?

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 восстает 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 космос Аполлона ракеты впервые продемонстрировали практичность этой технологии. 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. Вы можете купить обычную машину 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 2020 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет сдать в аренду за относительно низкую плату. скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная 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 в них 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 заправлять его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Проблема 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, их эффективность может составить около 10 процентов. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохой старт — а это всего лишь 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 пятой части 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! Мы могли бы использовать солнечные элементы для электролиза воды «для бесплатно », но мы могли бы с таким же успехом 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. отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водород. автомобили как «автомобили для дурацких камер».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди до сих пор ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области электроэнергетики. Если 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.Некоторые из этих вещей могут измениться со временем по мере развития и развития двух конкурирующих технологий — водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока масло не станет дороже, у автомобилистов будет мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть соперники технологии, которые могут остановить распространение автомобилей на топливных элементах. Мы могут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые заряжаются на дом.Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, увеличат мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас 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.

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, включая то, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какую экономию топлива можно ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• California Fuel Cell Partnership: Промышленное лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. На сайте много полезной справочной информации.
• Водородная экономика: всестороннее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвине: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.

Статьи

• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в экологически чистые «силовые установки» Джиллиан Эмброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 года.Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные электрогенераторы.
ИБП
• для развертывания гибридов топливных элементов / аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым выбросом, Мария Галуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки топливных элементов начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
• Сначала появились водородные автомобили. Теперь заправочные станции Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 года. Если великая водородная экономика когда-либо собирается взлететь, нам понадобится намного больше водородных станций.
• Почему в автомобильном будущем будут доминировать топливные элементы Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
• Битва автомобилей с нулевым уровнем выбросов: водородные или электрические? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 года. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения диапазона электромобилей.
• «Автомобили на водородных топливных элементах» возвращаются для очередного пробега Лоуренса Ульриха.The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
Переносная солнечная электростанция
• очищает воду и производит водород, Вилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях позволяет очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
• Наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы от Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как топливные элементы могут быть использованы для производства электричества в доме.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать как небольшие приборы, так и автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономия

Электролизеры и ионный обмен

Патенты

• Патент США 7241950: Электролиз воды на солнечных батареях для получения водорода и кислорода, автор Qinbai Fan и др., Институт газовой технологии, 10 июля 2007 г.Современный высокоэффективный электролизер на солнечной энергии.
• Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода, Джакомо Фаузер, 27 мая 1924 г. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Деятельность

• [PDF] Работа с топливными элементами НАСА: Очень маленькая активность для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​заправить его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2018) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

Век 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 эффективность использования топлива. от существующих автомобилей.В долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств 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 разберемся, 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 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.

Как топливный элемент вырабатывает электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим. реакция. Это химическая реакция, потому что она включает соединение двух химических веществ. вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам батареи. Это имеет положительно заряженный вывод (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый) держать их отдельно.(Думайте об этом как о бутерброде с ветчиной. Два клеммы — это куски хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

1. Газообразный водород из резервуара (показан здесь большими коричневыми каплями) подается по трубе к положительной клемме. Водород легковоспламеняющийся и взрывоопасен, поэтому танк должен быть очень сильным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) спускается по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительный полюс (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла. разработан, чтобы ускорить химический процесс, происходящий в топливном элементе.Когда атомы газообразного водорода достигают катализатор, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные капли). Если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку для начала у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательному выводу (синий) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки. и только протоны могут проходить через него.
5. Тем временем электроны проходят по внешнему контуру.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля. В конце концов, они тоже достигают отрицательной клеммы (синей).
7. На отрицательном полюсе протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает полимерную обменную мембрану или протонообменную мембрану, потому что она включает обмен протонами через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение Фактор — это количество водорода в баке.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для транспортных средств, 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 всем! Но есть загвоздка: тыкайся 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!

Электролизеры и электролизеры

Электролизер — это часть электрохимического аппарата (что-то который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для выполнять электролиз: расщеплять раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество.Электролиз был впервые был введен в 18 веке британским химиком сэром Хамфри Дэви. (1778–1829), который использовал примитивную батарею под названием Гальваническая свая открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химикаты упакованы в герметичный контейнер с двумя электрические клеммы погружаются в них. При подключении клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакцию внутри контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизере вы помещаете раствор в емкость и окунаете два клеммы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому источник питания и пропускать электричество через раствор. Химическая происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если раствор, который вы используете, — чистая вода (h3O), вы обнаружите, что она быстро распадается в газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на положительный электрод).Их относительно легко собирать и хранить газы для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергии. Свет (от Солнца) попадает в солнечную батарею (синий прямоугольник слева), делая электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. (собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический ящик справа), производящий электричество и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца любезно предоставлены Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит водород из воды:

1. Аккумулятор соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования твердой полимерной мембраны в качестве электролита, которая позволяет ионам перемещаться через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показаны здесь в виде двух красных капель, соединенных с одним зеленым) разделяется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов показаны красным цветом) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показаны зеленым).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному полюсу и попарно рекомбинируют с образованием газообразного водорода. (h3).
4. Точно так же отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и попарно рекомбинируют там с образованием газообразного кислорода. (O2).

Почему топливные элементы так долго приживаются?

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 восстает 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 космос Аполлона ракеты впервые продемонстрировали практичность этой технологии. 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. Вы можете купить обычную машину 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 2020 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет сдать в аренду за относительно низкую плату. скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная 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 в них 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 заправлять его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Проблема 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, их эффективность может составить около 10 процентов. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохой старт — а это всего лишь 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 пятой части 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! Мы могли бы использовать солнечные элементы для электролиза воды «для бесплатно », но мы могли бы с таким же успехом 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. отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водород. автомобили как «автомобили для дурацких камер».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди до сих пор ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области электроэнергетики. Если 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.Некоторые из этих вещей могут измениться со временем по мере развития и развития двух конкурирующих технологий — водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока масло не станет дороже, у автомобилистов будет мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть соперники технологии, которые могут остановить распространение автомобилей на топливных элементах. Мы могут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые заряжаются на дом.Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, увеличат мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас 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.

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, включая то, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какую экономию топлива можно ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• California Fuel Cell Partnership: Промышленное лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. На сайте много полезной справочной информации.
• Водородная экономика: всестороннее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвине: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.

Статьи

• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в экологически чистые «силовые установки» Джиллиан Эмброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 года.Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные электрогенераторы.
ИБП
• для развертывания гибридов топливных элементов / аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым выбросом, Мария Галуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки топливных элементов начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
• Сначала появились водородные автомобили. Теперь заправочные станции Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 года. Если великая водородная экономика когда-либо собирается взлететь, нам понадобится намного больше водородных станций.
• Почему в автомобильном будущем будут доминировать топливные элементы Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
• Битва автомобилей с нулевым уровнем выбросов: водородные или электрические? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 года. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения диапазона электромобилей.
• «Автомобили на водородных топливных элементах» возвращаются для очередного пробега Лоуренса Ульриха.The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
Переносная солнечная электростанция
• очищает воду и производит водород, Вилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях позволяет очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
• Наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы от Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как топливные элементы могут быть использованы для производства электричества в доме.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать как небольшие приборы, так и автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономия

Электролизеры и ионный обмен

Патенты

• Патент США 7241950: Электролиз воды на солнечных батареях для получения водорода и кислорода, автор Qinbai Fan и др., Институт газовой технологии, 10 июля 2007 г.Современный высокоэффективный электролизер на солнечной энергии.
• Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода, Джакомо Фаузер, 27 мая 1924 г. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Деятельность

• [PDF] Работа с топливными элементами НАСА: Очень маленькая активность для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​заправить его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2018) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

Век 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 эффективность использования топлива. от существующих автомобилей.В долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств 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 разберемся, 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 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.

Как топливный элемент вырабатывает электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим. реакция. Это химическая реакция, потому что она включает соединение двух химических веществ. вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам батареи. Это имеет положительно заряженный вывод (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый) держать их отдельно.(Думайте об этом как о бутерброде с ветчиной. Два клеммы — это куски хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

1. Газообразный водород из резервуара (показан здесь большими коричневыми каплями) подается по трубе к положительной клемме. Водород легковоспламеняющийся и взрывоопасен, поэтому танк должен быть очень сильным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) спускается по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительный полюс (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла. разработан, чтобы ускорить химический процесс, происходящий в топливном элементе.Когда атомы газообразного водорода достигают катализатор, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные капли). Если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку для начала у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательному выводу (синий) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки. и только протоны могут проходить через него.
5. Тем временем электроны проходят по внешнему контуру.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля. В конце концов, они тоже достигают отрицательной клеммы (синей).
7. На отрицательном полюсе протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает полимерную обменную мембрану или протонообменную мембрану, потому что она включает обмен протонами через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение Фактор — это количество водорода в баке.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для транспортных средств, 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 всем! Но есть загвоздка: тыкайся 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!

Электролизеры и электролизеры

Электролизер — это часть электрохимического аппарата (что-то который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для выполнять электролиз: расщеплять раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество.Электролиз был впервые был введен в 18 веке британским химиком сэром Хамфри Дэви. (1778–1829), который использовал примитивную батарею под названием Гальваническая свая открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химикаты упакованы в герметичный контейнер с двумя электрические клеммы погружаются в них. При подключении клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакцию внутри контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизере вы помещаете раствор в емкость и окунаете два клеммы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому источник питания и пропускать электричество через раствор. Химическая происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если раствор, который вы используете, — чистая вода (h3O), вы обнаружите, что она быстро распадается в газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на положительный электрод).Их относительно легко собирать и хранить газы для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергии. Свет (от Солнца) попадает в солнечную батарею (синий прямоугольник слева), делая электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. (собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический ящик справа), производящий электричество и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца любезно предоставлены Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит водород из воды:

1. Аккумулятор соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования твердой полимерной мембраны в качестве электролита, которая позволяет ионам перемещаться через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показаны здесь в виде двух красных капель, соединенных с одним зеленым) разделяется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов показаны красным цветом) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показаны зеленым).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному полюсу и попарно рекомбинируют с образованием газообразного водорода. (h3).
4. Точно так же отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и попарно рекомбинируют там с образованием газообразного кислорода. (O2).

Почему топливные элементы так долго приживаются?

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 восстает 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 космос Аполлона ракеты впервые продемонстрировали практичность этой технологии. 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. Вы можете купить обычную машину 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 2020 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет сдать в аренду за относительно низкую плату. скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная 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 в них 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 заправлять его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Проблема 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, их эффективность может составить около 10 процентов. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохой старт — а это всего лишь 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 пятой части 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! Мы могли бы использовать солнечные элементы для электролиза воды «для бесплатно », но мы могли бы с таким же успехом 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. отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водород. автомобили как «автомобили для дурацких камер».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди до сих пор ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области электроэнергетики. Если 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.Некоторые из этих вещей могут измениться со временем по мере развития и развития двух конкурирующих технологий — водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока масло не станет дороже, у автомобилистов будет мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть соперники технологии, которые могут остановить распространение автомобилей на топливных элементах. Мы могут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые заряжаются на дом.Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, увеличат мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас 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.

Если вам понравилась эта статья …

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Breathess: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, включая то, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какую экономию топлива можно ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• California Fuel Cell Partnership: Промышленное лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. На сайте много полезной справочной информации.
• Водородная экономика: всестороннее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвине: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.

Статьи

• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в экологически чистые «силовые установки» Джиллиан Эмброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 года.Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные электрогенераторы.
ИБП
• для развертывания гибридов топливных элементов / аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым выбросом, Мария Галуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки топливных элементов начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
• Сначала появились водородные автомобили. Теперь заправочные станции Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 года. Если великая водородная экономика когда-либо собирается взлететь, нам понадобится намного больше водородных станций.
• Почему в автомобильном будущем будут доминировать топливные элементы Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
• Битва автомобилей с нулевым уровнем выбросов: водородные или электрические? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 года. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения диапазона электромобилей.
• «Автомобили на водородных топливных элементах» возвращаются для очередного пробега Лоуренса Ульриха.The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
Переносная солнечная электростанция
• очищает воду и производит водород, Вилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях позволяет очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
• Наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы от Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как топливные элементы могут быть использованы для производства электричества в доме.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать как небольшие приборы, так и автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономия

Электролизеры и ионный обмен

Патенты

• Патент США 7241950: Электролиз воды на солнечных батареях для получения водорода и кислорода, автор Qinbai Fan и др., Институт газовой технологии, 10 июля 2007 г.Современный высокоэффективный электролизер на солнечной энергии.
• Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода, Джакомо Фаузер, 27 мая 1924 г. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Деятельность

• [PDF] Работа с топливными элементами НАСА: Очень маленькая активность для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​заправить его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2018) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как электромобили на топливных элементах работают с использованием водорода?

Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя. В отличие от других электромобилей, FCEV вырабатывают электричество, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не потребляя электричество только от батареи.В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства размером электродвигателя (электродвигателей), которые получают электроэнергию от комбинации топливного элемента и батареи соответствующего размера. Хотя автопроизводители могут спроектировать FCEV с возможностью подключения для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для возврата энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких событий ускорения и для сглаживания мощности, поступающей от топливного элемента с возможностью холостого хода. или выключите топливный элемент при низкой потребляемой мощности.Количество энергии, хранящейся на борту, определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связаны с размером батареи. Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.

Изображение в высоком разрешении

Ключевые компоненты электромобиля на водородных топливных элементах

Аккумулятор (вспомогательный): В транспортном средстве с электрическим приводом вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электричеством для запуска автомобиля до включения тягового аккумулятора, а также обеспечивает питание аксессуаров транспортного средства.

Аккумулятор: Этот аккумулятор накапливает энергию, генерируемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тяговому электродвигателю.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует мощность постоянного тока высокого напряжения от тягового аккумуляторного блока в мощность постоянного тока низкого напряжения, необходимую для работы аксессуаров автомобиля и подзарядки вспомогательной аккумуляторной батареи.

Электрический тяговый двигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот двигатель приводит в движение колеса автомобиля.В некоторых автомобилях используются мотор-генераторы, которые выполняют как приводную, так и регенеративную функции.

Блок топливных элементов: Комплект отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электроэнергии.

Заливная горловина: Форсунка топливораздаточной колонки присоединяется к резервуару на транспортном средстве для заправки топливного бака.

Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту автомобиля до тех пор, пока он не понадобится топливному элементу.

Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, регулируя скорость электрического тягового двигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение) — (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Трансмиссия (электрическая): Трансмиссия передает механическую энергию от тягового электродвигателя для привода колес.

Знакомство с водородными автомобилями. Как они работают

Мы много слышим о разработке электромобилей — и это правильно. Но есть еще одна альтернативная автомобильная технология, о которой меньше говорят. И он зависит от самого распространенного химического элемента во Вселенной. Водород.

На дорогах Великобритании ходят автомобили на водороде — и, хотя сейчас вам может быть трудно их заметить, производители (в частности, Toyota, Honda и Hyundai) уже выпустили водородные модели.

Правительство Великобритании также финансирует развитие водородных транспортных средств и инфраструктуры. В марте 2017 года он объявил о создании фонда в размере 23 миллионов фунтов стерлингов для ускорения этого развития, при этом министр транспорта Джон Хейс сказал в то время, что «электромобили на водородных топливных элементах могут сыграть жизненно важную роль наряду с электромобилями на батареях, чтобы помочь нам сократить вредные выбросы».

Имея это в виду, вот еще немного информации о водородных транспортных средствах, в том числе о том, как мы принимаем участие здесь, в Arval.

КАК РАБОТАЮТ АВТОМОБИЛИ НА ВОДОРОДЕ?

Двигатели, работающие на водороде, ушли намного дальше, чем вы думаете. Более двух веков назад французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз разработал примитивный двигатель, работающий на водороде и кислороде и воспламеняемый электрической искрой.

В наши дни все сводится к топливным элементам, но те же элементы по-прежнему играют важную роль в химической реакции, протекающей в водородном автомобиле.

По сути, здесь нет движущихся частей, это просто химическая реакция, «подпитывающая» действие.Он видит, как водород входит в топливный элемент из бака и смешивается с кислородом, образуя H ₂ O в химической реакции, которая генерирует электричество, которое используется для питания двигателей, приводящих колеса.

Заправка цистерн с водородом осуществляется примерно так же, как в бензиновых или дизельных автомобилях. Вам просто нужно прижать трубу к машине и ждать. Стоимость заправки топливного бака также сопоставима — около 10 фунтов стерлингов за кг, что эквивалентно бензину.

АВТОМОБИЛИ НА ВОДОРОДЕ: ЗА И МИНУСЫ

Итак, каковы некоторые из преимуществ автомобилей на водороде?

— Более быстрая заправка: по сравнению с подзарядкой электромобиля, водородный автомобиль может быть полностью заправлен за 3-5 минут.

— Никаких вредных выбросов: из автомобиля на водородных топливных элементах выделяется только вода.

— Впечатляющая дальность полета: с запасом хода около 300 миль на бак водородные автомобили не уступают многим обычным автомобилям.

— Хорошие уровни эффективности: силовые агрегаты на топливных элементах гораздо более эффективны при получении энергии из водорода, чем традиционные автомобили при получении энергии из бензина или дизельного топлива.

А как насчет недостатков водородных машин?

— Пункты заправки: в настоящее время в Великобритании всего 17 заправочных станций, каждая из которых стоит 1 фунт стерлингов.3 миллиона на строительство.

— Расходы. Хотя стоимость заправки автомобиля на водороде аналогична стоимости традиционного топлива, разработка технологии обходится недешево и не требует хранения или перемещения самого водорода.

— Предполагаемый риск для безопасности: водород легко воспламеняется, но опять же, бензин тоже, и это не помешало нам управлять миллионами автомобилей с бензиновым двигателем.

РАЗРАБОТКА АВТОМОБИЛЕЙ НА ВОДОРОДЕ

Разработка автомобилей на водороде в Великобритании находится на относительно ранней стадии. Однако, как упоминалось выше, некоторые производители уже сделали решительный шаг и разработали модели, основанные на этой технологии, в то время как другие находятся в стадии планирования.

Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai iX35 можно встретить в ограниченном количестве на дорогах Великобритании, при этом iX35 должен быть заменен новой моделью в 2018 году.

Mercedes-Benz должен выпустить водородную версию своего автомобиля. Диапазон GLC. Это отражает общее признание водородной технологии в Германии, где в настоящее время по всей стране строятся 23 новые водородные станции.

ИНИЦИАТИВА ВОДОРОДНОГО ХАБА

Штаб-квартира Arval в Великобритании находится в Суиндоне, где также около 50 организаций (включая нас) участвуют в инициативе, благодаря которой город стал «водородным центром».«Hydrogen Hub — это отраслевое сообщество заинтересованных сторон из всей цепочки поставок водорода и топливных элементов, правительства, местных властей, предприятий, а также текущих и потенциальных пользователей.

Это означает, что в Суиндоне проводится большая работа по развитию водородной технологии — и поскольку все это происходит в одном месте, это приведет к повышению осведомленности, сотрудничеству и распространению информации при одновременном сокращении затрат.

Среди других задействованных организаций — Nationwide, National Trust, Johnson Matthey и местные советы округов и округов.

В связи с широким представительством компаний и секторов существует четыре различных рабочих потока:

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ): проект по установке батареи водородных топливных элементов, которая будет обеспечивать электроэнергией местные общественные здания

Вилочный погрузчик грузовики: испытание вилочных погрузчиков на топливных элементах с целью выкатить в общей сложности 75 автобусов

Автобусы: разработка плана развертывания автобусов на топливных элементах в Суиндоне

Автомобили: Arval является исполнительным спонсором рабочего потока, который также поддерживается от Toyota и Hyundai

В рамках рабочего потока «автомобили» мы приобрели Toyota Mirai, доступную для использования нашими сотрудниками, и, будучи единственной компанией по лизингу автомобилей, участвующей в Hydrogen Hub, мы по-настоящему чувствуем, как водород работает.