Принцип водородного двигателя: Принцип водородного двигателя

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.

Водородный двигатель принцип работы

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

• Устройство водородного двигателя
• Принцип работы
• Водородные топливные элементы
• Принцип работы
• Особенности гибридных конструкций
• Водород как горючее

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

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

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

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

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

 

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

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. 

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%.

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 h3O 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 h3, 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.

 

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.

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.

Водород как горючее

Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

• когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
• на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
• детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
• показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
• водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
• лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
• такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
• если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
• чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
• последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.

В чём опасность такого топлива

Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 3.7 из 5.

Электромобили на водородных топливных элементах

Электромобили на топливных элементах питаются от самого распространенного элемента во Вселенной: водорода. Хотя автомобиль на топливных элементах работает на электричестве, он работает иначе, чем автомобили с аккумуляторным питанием или гибридные автомобили с подключаемым модулем. В топливном элементе водород вступает в электрохимическую реакцию, производя электричество для питания автомобиля.

Как они работают

Автомобили на топливных элементах работают на сжатом газообразном водороде, который подается в бортовую батарею топливных элементов, которая не сжигает газ, а вместо этого преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию. Затем это электричество питает электродвигатели автомобиля. Выбросы выхлопных газов равны нулю, а единственными отходами является чистая вода.

Конструкция топливного элемента аналогична батарее. Водород поступает на анод, где контактирует с катализатором, способствующим разделению атомов водорода на электрон и протон. Электроны собираются токопроводящим коллектором, который подключен к высоковольтной схеме автомобиля, питая бортовую батарею и/или двигатели, вращающие колеса.

1. Блок топливных элементов — Совокупность многочисленных топливных элементов, которые объединяют кислород и водород для выработки электроэнергии и питания электродвигателя


2. Топливный бак – Газообразный водород хранится в баках, армированных углеродным волокном, для подачи топлива в блок топливных элементов


3. Электродвигатель — приводит автомобиль в движение за счет энергии, вырабатываемой блоком топливных элементов


4. Аккумулятор – Захватывает энергию от рекуперативного торможения и обеспечивает дополнительную мощность для электродвигателя


5. Выхлоп – Побочным продуктом реакции, происходящей в блоке топливных элементов, является водяной пар, который выбрасывается через выхлоп

Производительность

Автомобили на водородных топливных элементах бесшумны, очень энергоэффективны, не производят вредных выбросов и имеют такой же запас хода и характеристики, что и бензиновые аналоги. Водители считают запас хода, время дозаправки, выбросы, мощность и производительность ценными характеристиками автомобиля.

Поощрения

Автомобили на топливных элементах имеют право на скидку в размере 4500 долларов США (7500 долларов США для покупателей, имеющих право на получение дохода) от Калифорнийского проекта скидок на чистые транспортные средства. Они также имеют право на наклейку Clean Air Vehicle для вождения в одиночку по полосам для автомобилей, а также на различные программы поддержки владения чистым транспортом в малообеспеченных и неблагополучных сообществах. Проверьте другие поощрения в вашем регионе.

Дополнительные ресурсы

Калифорнийские водородные инициативы
Получите последние нормативные обновления по водородной инфраструктуре от Калифорнийского совета по воздушным ресурсам (CARB).

Партнерство по водородным топливным элементам (HFCP)
Сотрудничество между промышленностью и правительством, направленное на расширение рынка электромобилей на топливных элементах, работающих на водороде.

Министерство энергетики США – Транспортные средства на топливных элементах
Веб-сайт федерального правительства, на котором представлен обзор технологии топливных элементов и сравнение доступных моделей.

Калифорнийский совет по водородному бизнесу (CHBC)
Группа по защите интересов, состоящая из более чем 100 компаний и агентств, работающих над продвижением коммерциализации производства водорода и топливных элементов.

Электромобили для всех автомобилей на топливных элементах
Полный список моделей электромобилей на топливных элементах, доступных в настоящее время в Калифорнии, включая льготы.

Что такое водородный двигатель? Подробное руководство по водородным технологиям

По мере роста глобальной обеспокоенности по поводу изменения климата и загрязнения окружающей среды активизировался поиск устойчивых и экологически безопасных источников энергии. Одной из таких альтернатив является водородный двигатель, который использует водород в качестве источника чистого топлива для выработки электроэнергии. В этой статье рассматривается концепция водородных двигателей, их типы, преимущества, проблемы и области применения.

‍

Типы водородных двигателей

‍

Существует два основных типа водородных двигателей: водородные двигатели внутреннего сгорания (HICE) и водородные двигатели на топливных элементах. Каждый тип имеет свои уникальные характеристики и области применения.

‍

Водородные двигатели внутреннего сгорания (HICE)

‍

Водородные двигатели внутреннего сгорания работают аналогично традиционным бензиновым или дизельным двигателям. Однако вместо использования ископаемого топлива они сжигают водород для выработки электроэнергии. Эти двигатели могут быть адаптированы из существующих двигателей внутреннего сгорания, что делает их привлекательным вариантом для перехода на более чистый источник энергии.

‍

Двигатели на водородных топливных элементах

‍

Двигатели на водородных топливных элементах используют топливные элементы для преобразования водорода и кислорода в электричество, которое затем приводит в действие электродвигатель. В отличие от HICE, в двигателях на топливных элементах не используется процесс сгорания, что делает их более эффективными и экологически безопасными.

‍

Как работают водородные двигатели

‍

Работа водородных двигателей зависит от типа используемого двигателя.

‍

Процесс сжигания водорода

‍

В водородном двигателе внутреннего сгорания водород смешивается с воздухом и сжимается в цилиндрах двигателя. Затем свеча зажигания воспламеняет смесь, вызывая контролируемый взрыв, который генерирует механическую энергию. Эта мощность используется для привода поршней двигателя и, в конечном итоге, для питания транспортного средства или устройства.

‍

Процесс производства водородных топливных элементов

‍

В двигателе на водородных топливных элементах водород и кислород вводятся в топливный элемент, где происходит электрохимическая реакция. Эта реакция производит электричество, воду и тепло. Вырабатываемое электричество питает электродвигатель, а вода и тепло удаляются как безвредные побочные продукты.

‍

Преимущества водородных двигателей

‍

Водородные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания, в том числе:

1. Снижение выбросов парниковых газов. меньше выбросов парниковых газов, чем у двигателей, работающих на ископаемом топливе.
2. Повышенная энергоэффективность: водородные двигатели, особенно двигатели на топливных элементах, имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем двигатели внутреннего сгорания, что приводит к лучшей общей производительности и меньшему расходу топлива.
3. Возобновляемый источник топлива: водород можно производить из различных возобновляемых источников, таких как электролиз воды, что делает его устойчивым источником энергии.

‍

Проблемы и ограничения

‍

Несмотря на свои преимущества, водородные двигатели сталкиваются с некоторыми проблемами и ограничениями, в том числе: требуют дорогостоящих материалов, таких как платина, в качестве катализаторов.

Ограниченная инфраструктура: водородных заправочных станций немного по сравнению с автозаправочными станциями, что затрудняет широкое внедрение водородных двигателей.

Хранение и транспортировка: Хранение и транспортировка водорода представляют собой значительные препятствия из-за его низкой плотности энергии и необходимости использования контейнеров высокого давления или криогенных хранилищ.

‍

Применение водородных двигателей

‍

Водородные двигатели внедряются в различных секторах, включая:

‍

Транспорт

‍

Автопроизводители все чаще исследуют водородные двигатели для транспортных средств, таких как легковые автомобили, автобусы и грузовики. Такие компании, как Toyota, Hyundai и Honda, представили автомобили с водородным двигателем, в то время как другие продолжают разрабатывать новые модели.

‍

Стационарное производство электроэнергии

‍

Водородные двигатели также могут использоваться для стационарного производства электроэнергии, обеспечивая резервное питание зданий или удаленных мест. Они предлагают чистое, надежное и эффективное энергетическое решение, особенно в районах с ограниченным доступом к электросети.

‍

Аэрокосмическая промышленность и авиация

‍

В аэрокосмической и авиационной промышленности исследуются водородные двигатели в качестве альтернативы обычным реактивным двигателям. Несколько компаний разрабатывают самолеты с водородным двигателем, стремясь сократить выбросы и повысить эффективность авиаперелетов.

‍

Будущие перспективы и развитие

‍

Ожидается, что спрос на чистые и устойчивые источники энергии будет расти, и водородные двигатели, вероятно, будут играть значительную роль. Текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности, доступности и инфраструктуры водородных двигателей, делая их более доступными и широко распространенными.

‍

Заключение

‍

Водородные двигатели представляют собой многообещающую альтернативу традиционным двигателям внутреннего сгорания с потенциалом значительного сокращения выбросов парниковых газов и использования ископаемого топлива. Несмотря на то, что проблемы остаются, дальнейшее развитие технологий и инфраструктуры водородных двигателей может проложить путь к более устойчивому и экологически безопасному будущему.

‍

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные побочные продукты водородных двигателей?

Водородные двигатели производят воду и небольшое количество оксидов азота в качестве побочных продуктов. Двигатели на водородных топливных элементах дополнительно производят тепло.

Безопасны ли водородные двигатели?

Хотя водород легко воспламеняется, водородные двигатели включают меры безопасности, такие как специальные резервуары для хранения и датчики, чтобы минимизировать риски, связанные с их использованием.

Как производится водород для использования в водородных двигателях?

Водород можно производить различными способами, включая электролиз воды, конверсию природного газа и газификацию биомассы.

В чем разница между водородным двигателем внутреннего сгорания и двигателем на водородных топливных элементах?

Водородный двигатель внутреннего сгорания сжигает водород для выработки электроэнергии, а двигатель на водородных топливных элементах использует электрохимическую реакцию для производства электроэнергии.

Насколько эффективны водородные двигатели по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания?

Двигатели на водородных топливных элементах обычно более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Водородные двигатели внутреннего сгорания имеют такой же КПД, как и их бензиновые аналоги, но обеспечивают более чистые выбросы.

Другие статьи:

Как работает водородный двигатель?

12 апреля 2023 г.

Что происходит под капотом водородного автомобиля? Хотя многие люди используют термин «водородный двигатель», на самом деле в водородных транспортных средствах используются электрические двигатели, работающие на водороде. Водородные грузовики, автомобили, тракторы и т. д. действительно являются электромобилями или, точнее, электромобилями на топливных элементах (FCEV).

Однако, в отличие от «обычного» электромобиля (который на самом деле следует называть аккумуляторным электромобилем или BEV), чье электричество сохраняется в аккумуляторе во время зарядки, «водородный электромобиль» вырабатывает собственное электричество, используя водородный топливный элемент.

Чтобы использовать водородное транспортное средство, пользователь должен заполнить бак водородом, а не перезаряжать аккумулятор.

Существует два типа технологии водородных двигателей:

• FCEV: электромобиль с электродвигателем, работающим на топливном элементе – в большинстве доступных сегодня водородных автомобилей используется эта технология,
• ДВС: автомобиль на водороде двигатель внутреннего сгорания. Эта технология, которой еще нет на рынке, находится в стадии исследований и разработок и интересует таких производителей, как Toyota, Porche и MAN. Этот тип двигателя сохранит большую часть операционной системы текущего двигателя и потребует минимальных настроек транспортных средств.

Что определяет мощность водородного двигателя?

FCEV имеют несколько конструктивных параметров, определяющих мощность транспортного средства:

• Емкость аккумулятора (кВтч)
• Мощность топливного элемента (кВт)
• Емкость хранения водорода (кг)
• Общая мощность двигателя, (кВт)
  

В зависимости от назначения автомобиля производители проектируют различные конфигурации этих четырех элементов.

Газ или жидкий водород?

‍

Это два способа хранения водорода, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от назначения транспортного средства. Жидкий водород позволяет хранить в четыре раза больше водорода, но сжижение водорода приводит к меньшему выходу энергии из-за дополнительной операции сжижения. Более того, когда он находится в машине, его нужно использовать очень быстро, прежде чем он снова превратится в газ и расширится. Это означает, что его нужно использовать или эвакуировать… и потерять!

‍

Как именно работает топливный элемент?

‍

Существует несколько типов топливных элементов, которые преобразуют топливо в энергию. Наиболее распространенным является водородный топливный элемент, который преобразует водород (топливо) в электричество (энергию) посредством электрохимической реакции водорода и кислорода.
‍

Этот процесс, происходящий мгновенно, приводит в действие электрический двигатель, при этом выделяется только вода.

Технически топливный элемент использует «окислительно-восстановительную» реакцию для производства электроэнергии. Он состоит из двух электродов: окислительного анода (испускающего электроны) и восстановительного катода (собирающего электроны), разделенных электролитом, который непосредственно проводит ионы от одного электрода к другому и блокирует электроны, заставляя их проходить через внешнюю цепь. аккумулятора.

Резервуар постоянно снабжает анод водородом, а катод получает кислород (из воздуха).

Анод заставляет топливо окисляться и высвобождать электроны, которые вынуждаются заряженным ионами электролитом (который разделяет два электрода) проходить через внешнюю цепь. Таким образом, эта внешняя цепь обеспечивает непрерывный электрический ток, питающий двигатель.

После воссоединения на катоде ионы и электроны рекомбинируют с кислородом. Эта комбинация вызывает восстановление, которое, помимо электрического тока, генерирует тепло и чистый водяной пар, который выходит в виде газа через небольшую трубку, расположенную под автомобилем, либо во время движения, либо при нажатии кнопки в конце путешествие.

• Резервуар постоянно снабжает анод водородом, а катод получает кислород (из воздуха).
• Анод заставляет топливо окисляться и высвобождать электроны, которые вынуждаются заряженным ионами электролитом (который разделяет два электрода) проходить через внешнюю цепь. Таким образом, эта внешняя цепь обеспечивает непрерывный электрический ток, питающий двигатель.

  No related posts.