Уже несколько лет в разных странах мира продвигается идея об автомобильных двигателях на водороде. Где-то наблюдается активная динамика развития, где-то пассивная, но она идет и в скором будущем, вероятно, в каждом большом городе мы будем наблюдать авто с обозначением из букв «H2» в их маркировке. На самом деле это не новая технология, но очередной виток развития она получила сравнительно недавно. На заметку, это тоже электромобиль, но в нем для генерации электрической энергии используются специальные водородные ячейки.
Производство водорода
Непосредственно, сам водород, как газ, был известен давно, но в природе в чистом виде не встречается. Его можно получить в виде летучих соединений исключительно химическим или электрохимическим способом путем разложения на кислород и водород из воды или специальных растворов. Для питания водородного двигателя требуется промышленное производство этого газа в чистом виде. На данный момент в промышленных масштабах для производств и биологических исследований применяют как минимум 6 методов:
- конверсия метана (природного газа) паром;
- газификация угля;
- окисление частичным способом;
- биологический метод;
- пиролизное разложение;
- разложение воды электричеством.
Все эти известные методы остаются дорогостоящими, что является основной проблемой получения газа, чтобы его не транспортировать с собой в баллонах. Вероятно, будут появляться новые технологии, направленные на сокращение затрат, но все это еще у будущем.
Хранение водорода
За все время существования концепции создали два типа водородных двигателей для автомобиля, а точнее, способа использования водорода для передвижения на авто:
- Используется ДВС, который модифицирован для работы на газу и смесях.
- В качестве привода выступает электрический мотор, получающий энергию из топливной водородной ячейки.
Для первого типа требуется опасная в эксплуатации водородная заправка, потому что газ хранится под высоким давлением в толстостенных баллонах и под сверхнизкими температурами. Это дорого и требует использования определенных технологий. Второй тип работает на топливных элементах, куда не нужно заправлять водород в виде газа. Используется вода и растворы с большим количеством гидроксогрупп, которые разлагаются на водород, используемый в генерации электричества. Водород для автомобиля представляется в разном виде, потому что еще не существует единой концепции. Кто-то хранит его в баллонах и предлагает возить их в авто с собой, что равносильно взрывчатке. Только детонация такого баллона принесет намного больше смертельных последствий и разрушений, чем емкость с пропаном.
История создания водородного двигателя
Первые водородные машины, а именно, ДВС, работающий на водороде, были придуманы еще в 1806 г. Франсуа Исаак де Ривас. Использовал для этих целей самый простой в то время способ – разложение воды электрическом. Следующий более инициативный виток развития двигателей на водородном топливе стартовал с началом ВОВ в 1941 г. Советский инженер Б. И. Шелищев в блокадном Ленинграде модифицировал мотор ГАЗ-АА для работы на водороде. Следующий рывок в водородной энергетике возник в 1980-х г. Разработками водородных установок занимались в США, СССР, Японии, Канаде и Германии. Для питания ДВС использовался чистый водород и смеси с другими газами. В 1982 г. была разработана первая в мире водородная топливная ячейка, которая заряжала батарею мощностью 5 кВт. В 2000 г. компания Тойота начала разрабатывать машины, в которых используется водород в качестве топлива для коммерческого сегмента.
Сейчас продолжают заниматься разработками и производством современных водородных автомобилей по технологии FCEV. В них уже не используется водород в баллонах, который несет большую опасность. Для привода транспортного средства применяются водородные топливные ячейки различного рода.
Как работает водородный двигатель
Принцип работы двигателя на водороде, именно газе или смеси газов, схож с классическим мотором внутреннего сгорания. Только вместо топливной смеси из бензина или пропан-бутана в цилиндры подается смесь водорода с кислородом. Отличительной особенностью такой установки является то, что в процессе горения смеси выделяется вода, которая поражает коррозией все металлические части.
Наиболее перспективны именно водородные двигатели на топливных ячейках. Под действием специальных катализаторов и на определенных материалах при реакции водорода и кислорода, который берут из воздуха, генерируется электрический ток. Тот заряжает АКБ и питает электродвигатель. По сути, это не водородный автомобиль, а электромобиль, который получает энергию из специальных водородных топливных элементов.
Устройство водородного двигателя
Одним из самых знаменитых серийно выпускаемых компанией Тойота водородных ДВС является 4JM. Энергетическая установка ставится на автомобиль Mirai. Это уже полноценная серийная версия транспортного средства, для передвижения которого используется водород. Технология новая и опасная, потому что в этом авто все-таки применяется водород в виде газа, который можно заправлять на АЗС и нужно возить с собой в двух баллонах.
Установка состоит из:
- электродвигателя;
- блока управления мощностью или частотного преобразователя;
- батареи топливных элементов;
- водородных баллонов, которые сложно назвать баком для водорода;
- NiMH батарей для накопления вырабатываемой энергии в результате реакции.
Принцип работы водородного двигателя
Чтобы понять, как работает водородный двигатель, нужно разобраться в его конструкции. Существует три вида технологий, по которым ведется разработка экологичных автомобилей:
- С водородными двигателями внутреннего сгорания.
- С водородными топливными элементами.
- С химическими водородогенераторами.
Третий тип не получил распространения, но при этом водитель мог заправлять авто не опасным водородом, а обычной питьевой водой. Именно такую концепцию предлагал советский инженер для нового вида транспорта.
Водородный двигатель внутреннего сгорания
Первым был придуман именно автомобили на водороде с мотором внутреннего сгорания. Скорее, его придумывать не приходилось. Был взят обычный ДВС на бензине, который был немного доработан для работы на водороде и смесях с ним. Сложность технологии заключается в том, что компоненты движка должны быть изготовлены из высокотемпературных стойких к коррозии материалов. В конструктивном плане такая модель проще, чем авто с водородными топливными ячейками, но в машине все равно нужно возить опасные баллоны, в которых к тому же водород должен поддерживаться при низких температурах.
Двигатель на водородных топливных элементах
Принцип работы двигателя FCEV на водородном топливе основан на процессе выделения электричества на специальных ячейках, которое затем используется для питания электрического мотора. Они представляют собой специальные компоненты с отводами для водорода и кислорода. Идея использования топливных ячеек стала хорошей альтернативной электролизу, потому что такая система обладает более высоким КПД, что является важным критерием.
Водородная ячейка состоит из протонообменной мембраны. С правой стороны топливного элемента на водороде находится платиновый катализатор, за которым следует катод. Его структура обеспечивает прохождение газа для реакции. Здесь же имеются вход для кислорода из воздуха и выход для пара и непрореагировавшего воздуха. С левой стороны анод, пропускающий газ и вход для водорода, и выход для отработанного топлива. На аноде происходит разложение атомов на электроны и протоны. На катоде – происходит соединение кислорода с протонами и электронов из внешней цепи, что сопровождается выработкой электронов для питания двигателя автомобиля на топливных элементах.
Плюсы водородного двигателя
У машин на водороде множество плюсов, для рассмотрения которых нужно подходить исключительно с точки зрения экологии. Автомобиль действительно в процессе работы не выделяет опасных соединений и прочих вредных веществ, способных причинить ущерб окружающей среде и всему живому. Независимо от технологии, при сгорании или соединении молекул образуется вода и пар, которые могут быть использованы для питья, но, конечно, пить из трубы машины никто не собирается, но факт.
Также к плюсам авто на топливных водородных ячейках относится абсолютная бесшумность работы. Установка вырабатывает электричество в полной тишине. Конечно, если взять современный хороший ДВС и качественную шумоизоляцию подкапотного пространства, то услышать работающий движок тоже сложно. Что касается экологии, то да, водородный мотор намного безопаснее, но классе Евро-6, который уже внедряется в Европе, также совершенно безопасен для экологии. Как показывают исследования, авто больше загрязняет экологию шинами, которые стачиваются, а после эксплуатации лежат на свалках в огромном количестве.
Топливные элементы назвать простыми сложно, как и всю установку, но все равно в комплектации с электрическим мотором система получается проще, чем ДВС. Сложность состоит только в хранении водорода и изготовлении дорогостоящих топливных элементов, которые уже выпускаются серийно, и цена их с каждым годом будет снижаться. Именно по этой причине водородные автомобили имеют перспективу на развитие и широкое внедрение в общественность по всему миру.
Минусы водородного двигателя
Ощутимым минусом автомобилей на водороде является сам газ. Во всех современных решениях, которые продолжают развиваться, нужно возить баллоны с собой. Проблема состоит в том, что для обеспечения безопасности, баллоны должны обладать очень толстой стенкой или постоянно охлаждаться до глубоких минусовых температур. Если такой автомобиль попадет в аварию и баллон разгерметизируется, то при наличии искры в зоне произойдет мгновенное возгорание. К счастью, производители научились изготавливать емкости из сверхпрочных материалов, которые не горят и при ударе не образуется искра. Одновременно с тем машина оснащается множеством защит и аварийных клапанов для сброса газа.
Также минусом является то, что не так-то много станций, на которых можно заправить баллоны водородом. Плюс ко всему, еще не придуманы единые стандарты транспортировки и хранения опасного газа, который может легко воспламениться при наличии искры. Учитывая тот факт, что технология еще развивается, то есть все основания полагать, что она будет совершенствоваться и дальше. Остается надеяться, что везде в городах появятся водородные заправки, и все автопроизводители будут ставить стандартные ячейки, чтобы их можно было быстро заменить, так как в процессе эксплуатации такого автомобиля они тоже изнашиваются.
Водородный двигатель: дальнейшие перспективы
Как показывает практика, водородный транспорт продолжает развиваться, но пусть и с некоторыми паузами. Все больше брендов предлагают свои разработки и новые модели машин с установками, работающими на водороде. Автомобиль FCEV на водородном топливе в совершенном и безопасном виде – хорошее будущее для всего человечества, но еще предстоит много работать над безопасностью, так как водород опаснее даже природного газа. Он горит при более высоких температурах и возгорается мгновенно. Невзирая на это, водородные авто становятся безопаснее, но еще предстоит выполнить много работы.
Что касается России, то уже существует утвержденный план по развитию водородной энергетики в промышленных масштабах для авто и прочих целей. Но сам процесс получения газа применяется во многих лабораториях, в том числе и в промышленных масштабах. Проблема заключается в том, что он остается дорогостоящим и требующим колоссальных затрат энергии. Отдельные компании в РФ проводят исследования, даже придумывают безопасные методы хранения газа в виде соединений, но разработки пока не идут в массу и не обладают конкретного практического назначения.
