Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как работают двигатели на водороде


что это, как работает, схема, фото, безопасность,

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.

Попов Андрей Геннадьевич

Автослесарь, стаж работы 19 лет

Задать вопрос

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

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.

 

Мелехов Алексей Викторович

Автоэлектрик , стаж работы 9 лет

Задать вопрос

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

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

Ограниченно выпускают:

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

Испытывают:

  • 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.


Сколько раз прочитали статью:
944

Есть свое мнение или вопрос по теме статьи? Напиши свой комментарий ниже!

Как работают водородные двигатели? (с рисунком)

Водородные двигатели считаются многими отличной альтернативой двигателям на ископаемом топливе. Есть два типа водородных двигателей, и они основаны на различных принципах мощности. Водородные двигатели внутреннего сгорания работают аналогично двигателям внутреннего сгорания, работающим на бензине. Двигатель на водородных топливных элементах работает, смешивая водород и кислород, вырабатывая электричество во время химической реакции.

Водород можно использовать вместо ископаемых видов топлива для двигателей.Водородные двигатели сгорания

аналогичны другим двигателям внутреннего сгорания, за исключением того, что они используют водород вместо ископаемого топлива, что упрощает преобразование процесса производства из нефтяных горелок в водородные двигатели. Эти водородные двигатели сжигают жидкий водород для перемещения поршней и выработки энергии. Водород обеспечивает высокую энергию без вредных выбросов.

Однако существуют некоторые ограничения для водородного двигателя внутреннего сгорания, которые делают его непрактичным.Чтобы хранить достаточно топлива, чтобы быть полезным, водород должен храниться в жидкой форме, что требует охлаждения до экстремально низких температур. Такая низкая температура приведет к деформации и образованию трещин не только на топливном баке, но и на любой окружающей конструкции. Изоляция и усиление транспортного средства, чтобы противостоять этим температурам, увеличивает стоимость производства до непомерно высокого уровня.

Альтернативой этой модели является модель топливного элемента.Водород и кислород смешиваются внутри топливного элемента, объединяясь в воду. Эта химическая реакция также выделяет электричество, которое можно хранить и использовать для питания двигателя. Вода - единственный выхлоп, производимый этим двигателем, что делает его хорошим вариантом для уменьшения загрязнения воздуха.

Хотите автоматически сэкономить время и деньги месяца? Пройдите 2-минутный тест, чтобы узнать, как начать экономить до 257 долларов в месяц.

Внутри топливного элемента сжатый газообразный водород проходит через покрытый платиной катализатор, где электроны вытягиваются, генерируя электричество и создавая положительные ионы водорода. Кислород вводится в клетку через катодную связь с ионами, образуя воду. Эта вода может затем быть выпущена как выхлоп. Энергии, генерируемой одним топливным элементом, недостаточно для питания транспортного средства, но ряд элементов может быть связан для обеспечения достаточной энергии.

Существуют также ограничения для водородных двигателей на топливных элементах. Они исключительно хрупкие и могут быть недостаточно прочными, чтобы выдержать использование в автомобиле. Они используют дорогие компоненты и драгоценные металлы, такие как платина, в своей конструкции, что увеличивает стоимость производства.

Топливные элементы также подвержены замерзанию, особенно перед запуском.После того, как водородный двигатель работает, химический процесс генерирует достаточное количество тепла для предотвращения замерзания клеток. Однако они не производят столько тепла, сколько двигатели внутреннего сгорания, а двигателям с топливными элементами требуется значительно больше времени для прогрева.

,

Как работают водородные автомобили | HowStuffWorks

Автомобиль будущего здесь сегодня. Конечно, вы еще не можете купить его; но если вы живете в Калифорнии, вы можете арендовать один. Он не использует бензин и не загрязняет воздух. Фактически, он производит пар вместо выхлопа. Так в чем же загадочное топливо? Водород - самый простой и распространенный элемент во вселенной. И некоторые люди думают, что через 20-30 лет мы все будем водить эти водородные, экономичные автомобили.

Хотя автомобили на водородном топливе обладают качеством научной фантастики, идея на самом деле не нова. На самом деле, технология использования водорода для производства энергии существует с первой половины 19-го века - это дольше, чем автомобили. Новым является то, что вы можете увидеть на дороге водородный автомобиль с паром, выходящим из выхлопной трубы вместо дурно пахнущих газов. В настоящее время существует несколько водородных автомобилей, но большинство из них - концепт-кары.Эти экологичные машины для вождения включают Chevrolet Equinox, BMW 745h и Honda FCX, которая в настоящее время доступна для аренды в Калифорнии.

Что делает возможной водородную машину, так это устройство под названием , топливный элемент , который преобразует водород в электричество, выделяя только тепло и воду в качестве побочных продуктов. Поскольку это экологически чистый, водород кажется идеальным топливом для 21-го века. Многие люди в правительстве и автомобильной промышленности в восторге от его потенциала.Водородные автомобили обладают потенциалом экономии топлива и дают надежду на экологичное, экологичное вождение. Но все еще есть много проблем, которые необходимо преодолеть, и на вопросы, на которые необходимо ответить, прежде чем водород станет топливом выбора для достаточного количества людей, чтобы сделать большую разницу в нашем нынешнем использовании ископаемого топлива. Например, где мы возьмем водород? Насколько дорогими будут эти экономичные автомобили? Сможете ли вы найти водородную заправочную станцию, чтобы пополнить свой бак? И, пожалуй, самое главное, что топливо в качестве топлива действительно так экологически чист, как кажется?

Мы рассмотрим эти вопросы на следующих страницах, но мы можем дать вам один быстрый ответ прямо сейчас: если только вы не проживаете в очень специфических частях страны и не имеете карманов с наличными деньгами, не ждите водород автомобиль на подъездной дороге в течение следующего десятилетия.

,

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

лет назад или около того, количество машин на Земле исчислялись тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей - примерно один на каждые семь человек на планете, и ожидается, что это число к 2040 году достигнет 2 миллиардов. Думайте о Земле как о гигантской заправке только с ограниченным запасом топлива, и вы поймете довольно быстро что у нас проблема.Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют "пик нефти" и, в ближайшие несколько десятилетий, поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если что произойдет, откуда все наши автомобили будут получать топливо? Краткосрочное решение - повысить эффективность использования топлива из существующих автомобилей. В более долгосрочной перспективе решение может быть переключить транспортные средства с бензиновых двигателей и дизеля на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не запускается.Тихий и без загрязнений, они среди самые чистые и зеленые источники энергии еще не разработаны. Они все, что они обещали быть? Давайте внимательнее посмотрим, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль водородных топливных элементов компании Ford Motor Company (модифицированный Ford Focus). Фото любезно предоставлено НАСА Космическим центром им. Кеннеди (NASA-KSC).

Что такое топливные элементы?

Фото: под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть только два способа привести в движение современный автомобиль. Большинство машин на сегодня дороги используют двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, генерировать тепло, поднимать поршни и вниз, чтобы вести коробку передач и колеса. электрический машины работают совсем по другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые подают электроэнергию в электродвигатели, которые приводят в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключение между двумя в соответствии с условиями вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между внутренним сгоранием мощность двигателя и аккумулятора. Как двигатель внутреннего сгорания, они делают мощность при использовании топлива из бака (хотя топливо находится под давлением газообразный водород, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он сливается химически с кислородом из воздуха, чтобы сделать воду. В процессе, что напоминает то, что происходит в батарее, электричество выделяется и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять транспортное средство.Единственный ненужный продукт - это вода - и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо того медленно истощать химические вещества внутри них (как это делают обычные батареи), топливные элементы работают на постоянном запасе водорода и продолжают производить электричество до тех пор, пока в баке есть топливо.

Как топливный элемент производит электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим реакция. Это химическая реакция, потому что она включает в себя два химических соединения вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится как реакция идет своим чередом.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам в батарее. Это имеет положительно заряженный терминал (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом между двумя (желтый) держать их отдельно (Думайте обо всем этом как сэндвич с ветчиной. Два клеммы - это кусочки хлеба, а электролит - это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

  1. Газообразный водород из резервуара (показанный здесь как большие коричневые капли) подается вниз по трубе к положительному полюсу.Водород огнеопасен и взрывоопасен, поэтому танк должен быть чрезвычайно прочным.
  2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) идет по второй трубе к отрицательному полюсу.
  3. Положительный терминал (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла предназначен для ускорения химии, которая происходит в топливном элементе. Когда атомы газообразного водорода достигают катализаторы, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные пятна). Если вы запутались: ионы водорода - это просто атомы водорода с удаленными электронами.Поскольку для начала у них только один протон и один электрон, ион водорода - это то же самое, что и протон.
  4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательной клемме (синего цвета) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки и только протоны могут пройти через него.
  5. Между тем электроны текут через внешнюю цепь.
  6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля.В конце концов, они также достигают отрицательного терминала (синего цвета).
  7. На отрицательном конце протоны и электроны рекомбинируют с кислородом из воздуха в химической реакции, которая производит воду.
  8. Вода выделяется из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает обмен полимерной мембраны или протонообменной мембраны, потому что он включает обмен протонов через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Так как в воздухе всегда много кислорода, единственным ограничением Фактором является количество водорода в баке.

Стеки топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электричества, сколько одна сухая батарея - далеко не достаточно для питания ноутбука, не говоря уже о машине. Вот почему топливные элементы, предназначенные для транспортных средств, используют батареи топливных элементов, связанных вместе в серии. Общее электричество у них Продукция равна числу клеток, умноженному на мощность каждого клетка производит.

Типы 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 / Национальное Лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

PEM топливные элементы (иногда называемые PEMFC) в настоящее время одобрен инженерами для питания транспортных средств, но они ни в коем случае не возможен только дизайн.Так же, как есть много видов батарей, каждый с использованием различных химических реакций, поэтому существует много видов топлива клетка тоже. Космический корабль использует более примитивную конструкцию, называемую щелочной топливный элемент (АФК), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативным дизайном, известным как твердый оксид топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительный особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить либо электрический ток (который может быть использован для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность состоит в том, чтобы иметь на крыше транспортное средство с солнечной батареей, которая использует электричество Солнца для разделения воды на газы водорода и кислорода с электролизер (см. вставку ниже). Эти газы затем рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество таких действий, а не использования энергии Солнца напрямую, заключается в том, что водорода в дневное время, когда светит солнце, а затем использовать его для вождения топливный элемент ночью.)

Откуда весь водород?

За последние 150 лет практически каждый автомобиль имеет бегать по жидкости мы довольно смутно называем газом.Но в следующие 150 многие годы думают, что автомобили будут работать на настоящем газе водород. Теоретически, запуск автомобилей на водороде - отличная идея: это самый простой и самый распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то около трех четвертей) всей материи во Вселенной. Тогда хватит всем! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода вообще - только один литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что выискивать около двух литров воды случайно перепутал в каждом олимпийском бассейне полно).Так откуда же взялись все огромные облака водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно сделать это самим из воды, волшебной субстанции, которая покрывает 70 процентов поверхности Земли, частично из водорода. Расщепив старый добрый h3O на его части, вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

Фото: может пройти некоторое время, прежде чем насосы для наполнения водородом станут обычным явлением.Фото любезно предоставлено исследовательским центром НАСА им. Гленна.

" В течение десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: как раз когда вы думаете, что доля пробилась через ее сердце с нулевыми выбросами, технология восстает из могилы".

Лоуренс Ульрих
Нью-Йорк Таймс, апрель 2015 г.

Люди объявляют топливные элементы как следующую большую вещь в силе Поставки с 1960-х годов, когда пространство Аполлона ракеты впервые продемонстрировали, что технология была практичной.Четыре десятилетия спустя На наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах - для самых разных причины. Во-первых, мир ориентирован на производство бензиновых двигателей миллион, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше проверены и многое другое надежный. Вы можете купить обычную машину за несколько тысяч долларов / фунтов стерлингов, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах отбивал бы у вас сотни тысячи. («Относительно доступный» Mirai Тойоты наконец стал широко доступным в 2016 по цене чуть менее 60 000 долларов США, вдвое дороже по сравнению с гибридным Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в аренду договоренности. В 2020 году автомобиль Honda Clarity на топливных элементах может быть сдан в аренду за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость не единственная проблема. Там также массивный Нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где можно обслуживать бензиновые автомобили и автозаправочные станции повсюду, чтобы снабжать их топливом. В отличие от этого, вряд ли кто знает что-нибудь об автомобилях на топливных элементах, и там практически нет наполнения станции подачи водорода под давлением.«Водородная экономика» - давняя мечта.

Легко увидеть, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас было бы много электролизных заводов повсюду, делающих газообразный водород из воды. Теперь газы занимают гораздо больше пространство, чем жидкости или твердые вещества, поэтому нам нужно повернуть водород газ в жидкий водород, облегчая транспортировку и хранение, сжимая его до высокого давления. Тогда мы будем перевозить водород на заправочные станции («водородные станции»?) где люди могли бы накачать его в свои автомобили, которые будут работать на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Производство водорода путем электролиза требует энергии - и довольно много: мы должны использовать электричество, чтобы разделить воду. Если мы используем типичные солнечные элементы для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее, в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая общую жалкую эффективность всего 7,5 процента. Это довольно плохое начало - и это только начало!

Мы также используем энергию, которая транспортирует водород и сжимает его (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли в достаточном количестве перевозить его в своих баках, чтобы отправиться куда угодно.Это реальная проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы) только около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти (если предположить, что ваш водородный автомобиль тяжелее, чем ваш бензиновый, это может быть не так, потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии). Другая проблема заключается в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что его чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров - и так как водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И тогда, конечно, есть все неэффективности на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, которые приводят его в движение.

Водород не топливо

" ... водород - это раздутый движок ... Водород не чудодейственный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия перевозчик, с целой кучей практических дефектов."

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не топливо, а просто способ транспортировки топлива, произведенного каким-либо другим процессом. Так что лучше сравнить его с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензину (натуральное топливо). В целом современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие на аккумуляторах, и зачастую менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем! Мы могли бы использовать солнечные батареи для электролиза воды "для бесплатно ", но мы могли бы так же легко хранить ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей.Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили на батарейках действительно лучше, водород может оказаться дорогим отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемой энергии.

Все эти проблемы, в итоге, объясняют, почему сторонники автомобильного аккумулятора, такие как Элон Маск из Tesla, любят высмеивать водород автомобили как "дураки".

Но у водорода тоже есть свои плюсы!

Так почему же люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, они имеют многочисленные преимущества перед другими электроэнергетическими технологиями.Там, где зарядка автомобиля с аккумуляторным питанием может занять от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут - так же быстро, как вы можете заполнить бензобак обычного автомобиля. Дальность вождения автомобилей с батарейным питанием также была предметом спора. Современные модели утверждают, что они могут проехать сотни километров или миль между зарядами, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других вещей во время вождения; и диапазон страдает, когда ваша батарея становится старше.Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, как и обычные газовые транспортные средства, хотя их характеристики с возрастом ухудшаются. Там, где аккумуляторные технологии, вероятно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для более крупных автомобилей и грузовиков. Некоторые из этих вещей могут со временем измениться, поскольку две конкурирующие технологии - водородные топливные элементы и аккумуляторные батареи - развиваются и развиваются.

Что-нибудь кроме масла?

Таким образом, пока нефть не станет дороже, автомобилисты будут иметь мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах.Уже тогда есть соперник технологии, которые могут помешать автомобилям на топливных элементах завоевать популярность. Мы может придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или это может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые вы заряжаете в домой. Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили, работающие на бензиновых двигателях и электродвигатели продлят мировые поставки нефти достаточно долго для нас придумать совершенно новую технологию - может быть, даже атомные машины! Никто не знает, что ждет в будущем, но одно известно точно: нефть будет играть гораздо меньшую роль в этом.Чем раньше мы примем альтернативы - аккумуляторные электромобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще - тем лучше.

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020