Применение водорода в качестве моторного топлива

• Скачать в формате PDF

Ю.В. Галышев – С.-Петербургский государственный политехнический университет

Современный уровень развития двигателестроения позволяет создавать надежные, достаточно мощные, экономичные и малотоксичные двигатели, работающие на водороде. В качестве промежуточного этапа могут рассматриваться варианты со смешанным водородно-бензиновым питанием, а также чисто водородные двигатели пониженной мощности.

Первые опыты применения водорода в качестве моторного топлива относятся еще к 1920-м гг., когда газ, предназначенный для наполнения дирижаблей, использовался также для питания двигателей воздушного корабля. В период Великой Отечественной войны в Ленинграде, отрезанном от поставок жидкого топлива, отработавший в аэростатах водород успешно использовался для двигателей передвижных электростанций. Эксперименты по использованию водорода как моторного топлива проводились также в послевоенные годы, однако не получили развития главным образом из-за того, что практической потребности в замене нефтяных топлив в то время еще не было.

Интерес к этой тематике активизировался в 1970-80-е годы, что было в значительной степени связано с энергетическим кризисом, обусловленным сокращением поставок ближневосточной нефти. В этот период были проведены успешные разработки и созданы демонстрационные образцы автомобилей, работающих на водородном топливе. В настоящее время также ведутся работы в этом направлении. Например, фирма BMW планирует начать с 2010 года серийный выпуск автомобилей модели 750 hL с 12-цилиндровым двигателем мощностью 204 л.с, работающим на водороде (несколько автомобилей было изготовлено для выставки ЭКСПО-2000). Для хранения топлива используется криогенный бак с запасом, обеспечивающим пробег без дозаправки 320 км.
Водород можно было бы считать идеальным топливом, учитывая его высокую теплоту сгорания, неиссякаемые запасы, экологичность: выхлоп содержит только чистейший водяной пар (без оксидов углерода, сажи и дыма). Однако эти положительные свойства водорода при применении в качестве топлива имеют и обратную сторону. Прежде всего, хотя водород и является самым распространенным на Земле элементом, в свободном виде он отсутствует. Основное (по количеству) водородосодержащее вещество – вода. Для выделения из нее водорода требуется затратить такое количество энергии, которое превысит полученное при сжигании этого топлива в двигателе.
Теплота сгорания водорода в расчете на единицу массы действительно почти втрое превышает соответствующую величину для жидких топлив. Но для сжигания 1 кг водорода требуется также почти втрое больше кислорода. Следовательно, теплота сгорания единицы объема стехиометрической (содержащей минимально необходимое количество кислорода) водородовоздушной смеси даже ниже, чем у жидких и газообразных углеводородных видов топлива. То есть при внешнем смесеобразовании, типичном для бензиновых ДВС, и одинаковом КПД водородный двигатель даст почти на 20% меньшую мощность, чем бензиновый или газовый. Низкая теплота сгорания водородовоздушной смеси обусловлена большим удельным объемом водорода, поэтому если подавать водород в цилиндр после закрытия впускного клапана, то соотношение газов можно оптимизировать. Это предполагает хранение и подачу водорода под давлением и специальную конструкцию системы подачи топлива.
Наконец, тезис о полной безвредности выхлопа водородного двигателя также требует некоторой корректировки. Действительно, при сжигании водорода в кислородной среде образуется только водяной пар. Однако при сгорании водородовоздушных смесей, как и углеводородных топлив, окисляется атмосферный азот, образуя весьма вредные оксиды NO и NO

2. Их количество может оказаться даже выше, чем у бензинового двигателя (при прочих равных условиях), в связи с более высокими температурами в зоне горения. К тому же, пока нет еще опыта наблюдений, связанных с интенсивным выбросом в атмосферу водяного пара. Следует также отметить неизбежный расход смазочного масла на угар.
Но, несмотря на все это, преимущества водорода как топлива для транспортных двигателей очевидны. Более того, при условии исчерпания ресурсов ископаемых топлив «водородный» двигатель может оказаться, наряду с электродвигателем, единственной альтернативой. Уже сегодня такие двигатели (как и электромобили) могут применяться в ограниченном количестве в условиях предельно жестких ограничений на состав отработавших газов. Необходимо вести их разработки и исследования в расчете на перспективу, пусть даже отдаленную.
Однако прежде чем серийно производить транспортные средства, работающие на водороде, предстоит решить ряд серьезных проблем. В первую очередь, необходимо обеспечить производство водорода в достаточных количествах. В большинстве технологий, используемых для этой цели в химической промышленности, сырьем являются ископаемые топлива – природный газ, нефть. При этом затрачивается большое количество энергии, получаемой за счет части теплоты сгорания исходных углеводородов. В качестве сырья может использоваться также и уголь, но и в этом случаи потери энергии больше, чем при получении коксового, светильного или генераторного газа (по своим «моторным» свойствам мало уступающих водороду). Кроме того, при восстановлении водорода из воды с помощью угля высвобождаемый кислород окисляет углерод, что приводит к образованию СО ₂ – основного фактора парникового эффекта. Чтобы обеспечить водородным топливом значительный парк автомобилей, потребуется увеличить в несколько раз производство угля.
Универсальна и экологически безопасна технология получения водорода, основанная на электролизе воды. Правда, это предполагает наличие излишков электрической энергии, которых в глобальном понимании нет и не предвидится, поскольку энергопотребление растет быстрее, чем вводятся в строй новые электростанции. Однако в локальном аспекте такие излишки реально существуют – это прежде всего гидростанции и ядерные энергоустановки. Сложность регулирования мощности на таких электростанциях заставляет искать пути ис¬пользования избыточной энергии в периоды снижения нагрузки, в частности в ночные часы. При условии достаточно широкого спроса эта энергия могла бы использоваться в производстве водородного топлива. Еще один резерв связан с ядерными энергоустановками, где водород образуется в системах охлаждения реакторов.
Необходимо также решить вопрос о рациональных способах хранения водорода, предназначенного для использования в качестве топлива.

Свободный водород, как и другие горючие газы, может храниться либо в сжатом, либо в сжиженном виде. Кроме того, существуют способы хранения в химически связанном виде, предусматривающие выделение водорода непосредственно на борту транспортного средства перед подачей в двигатель.
Из-за малой плотности водорода для хранения запаса, обеспечивающего получение равной работы с двигателем жидкого топлива, требуется значительно большая масса. В 1970-80-х гг., когда в распоряжении разработчиков были только стальные баллоны, вариант с хранением водорода в баллонах всерьез не рассматривался. А криогенный способ хранения в тот период еще не был доведен до уровня, допускающего его применение на автомобилях. Основное внимание обращалось на гидридные аккумуляторы и реакторы на основе гидрореагирующих сплавов.
Первый вариант основан на способности водорода образовывать с металлами нестойкие соединения – гидриды. При определенных условиях эти соединения распадаются с высвобождением свободного водорода. Может использоваться, например, лантан-никелевый гидрид LaNi₅H₆. Контейнер с этим гидридом, содержащий 0,5 кг водорода, имеет массу 40…45 кг. Следовательно, удельная энергоемкость такого бака 1100…1300 кДж/кг (как и у стального баллона).
Более легкий магниево-никелевый гидрид Mg₂NiH₄ обеспечивает удельную энергоемкость порядка 4000 кДж/кг. Температура диссоциации этого гидрида составляет 287 °С, поэтому гидридный аккумулятор должен обогреваться отработавшими газами двигателя. При этом могут возникнуть трудности с подачей водорода при малых нагрузках, когда температура газов недостаточно высока.
Возможно также производство водорода на основе реакции воды с гидрореагирующими сплавами. Это сплавы легких металлов с присадками, обеспечивающими ускоренное протекание физико-химических процессов. Реакции воды с алюминием и магнием имеют вид:

2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + 3Н₂;
Mg + 2Н₂О = Mg(OH)₂ + Н₂.

Следовательно, для производства 1 кг водоро¬да требуется 9 кг алюминия или 12 кг магния. Кроме того, в реакциях используется 18 кг воды на 1 кг водорода. Таким образом, удельная энергоемкость составит (без учета массы деталей, входящих в реакторную систему), соответственно, 3800 и 3400 кДж/кг.
Достоинством хранения водорода в химически связанном виде является высокая безопасность. Поскольку высвобождаемый водород немедленно сжигается в двигателе, то количество свободного газа в системах автомобиля, который образует с воздухом взрывоопасную смесь, – минимально.

В 1980-е годы в Ленинградском политехническом институте был проведен комплекс исследований по созданию моторных установок с применением реакторов на основе гидрореагирующих сплавов магния [1]. В результате этих работ были созданы работоспособные конструкции реакторов для стендовых и автомобильных моторных установок. Были детально исследованы особенности рабочих процессов двигателей на водородном топливе, проведен широкий комплекс испытаний экспериментального автомобиля. Магниевый сплав в виде стружки загружался в специальные сменные кассеты, которые затем устанавливались в реактор. Вода в дозированном количестве прокачивалась через реактор, а образующаяся паро-водородная смесь осушалась в холодильнике. Затем почти чистый водород подавался во впускной коллектор двигателя.
В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в технологиях хранения газообразного топлива, которые могут быть использованы и для водорода. Так, фирмой Diehl разработана многослойная конструкция, включающая внутреннюю алюминиевую втулку и чередующиеся слои кольцевой и винтовой пластиковой обмотки. На этой технологической основе создана серия баллонов емкостью от 4 до 150 л, которые рассчитаны на рабочее давление 20 или 30 МПа. Отношение массы баллона к его емкости составляет около 0,6 кг/л.
В конструкции баллона фирмы Mannesman внутренняя часть выполнена из высоколегированной стали, а наружная представляет собой армирующую обмотку из волокнистого материала – его удельная прочность в десять раз выше, чем у стали. Рабочее давление здесь также составляет 20 или 30 МПа, объем – от 60 до 165 литров, а масса – от 46 до 110 кг, то есть удельные значения 0,6…0,8 кг/л.
Фирма Brunswick предлагает полностью пластиковый вариант, выполненный из трех слоев материалов с различными свойствами. По данным изготовителя, масса таких баллонов (при равных объемах и давлениях хранимого газа) меньше массы емкостей из армированного алюминия и армированной стали в 1,5 и 2 раза соответственно и почти в 4 раза – емкостей из цельностальных конструкций.
При хранении водорода в сжиженном виде показатели еще лучше. Например, общая масса криогенного бака ЦТП 0,09/1,2, вмещающего 90 л сжиженного газа, – 100 кг. Удельная теплота единицы массы в этом случае около 7000 кДж/кг, т.е. только в 4 раза меньше, чем для жидкого топлива. Однако при этом значительно возрастают энергозатраты на сжижение, поскольку температура жидкого водорода составляет около 20 К. В настоящее время разработаны и используются промышленные криогенные резервуары для более крупных установок – тепловозных, судовых, авиационных. Помимо повышенных энергозатрат, применение криогенного способа хранения требует решения такой проблемы, как использование или отвод испаряющегося газа при останове двигателя.
На практике применяются конструкции автомобильных моторных установок, основанные на применении как баллонных, так криогенных и гидридных систем.
Определенные трудности связаны с обеспечением равной мощности двигателя при работе на водороде и на бензине. Кроме того, отмечается способность водородосодержащих смесей к преждевременному воспламенению от нагретых деталей двигателя и горячих газов. При внешнем смесеобразовании преждевременное воспламенение приводит к «обратным вспышкам» смеси во впускном коллекторе, что достаточно опасно с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации.
Специальными экспериментами установлена надежная корреляция между границей «хлопков» во впускном коллекторе и удельным количеством теплоты, подводимой при сгорании, на единицу массы рабочего тела [2]. Было показано, что безопасность обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха не менее 2. Таким образом, если не принять специальных мер, мощность двигателя на водороде будет примерно в 2,5 раза ниже, чем бензинового. Например, для двигателя ВАЗ-2111 номинальная мощность снижается с 52 до 27 кВт.
Для компенсации мощности существует несколько подходов. При сохранении внешнего смесеобразования с общим смесителем рациональным решением является дополнительная подача бензина на режимах, близких к номинальной мощности. Такой подход был реализован, в частности, при разработке системы подачи топлива для двигателя ВАЗ-2111 [3]. Одновременно при таких схемах можно уменьшить и необходимую массу системы хранения водорода. Но экономия жидкого топлива, а также уменьшение токсичности отработавших газов осуществляются лишь частично. Двигатель работает на чистом водороде только на режимах холостого хода и малых нагрузок. Если учесть, что на эти режимы приходится значительная часть времени эксплуатации и основная доля выброса оксидов углерода и несгоревших углеводородов, то и это уже прогресс по сравне¬нию с бензиновым двигателем.
При реализации схем смешанного питания необходим обоснованный выбор рационального алгоритма регулирования состава смеси, который обеспечит минимальный расход бензина и предельно ограничит выброс в атмосферу токсичных продуктов сгорания. Такой выбор возможен на основе комплексного моделирования рабочего процесса, газообмена, температурного состояния и токсичности отработавших газов двигателя. При этом должны быть учтены вероятные отклонения в процессе горения, что, в свою очередь, позволит наметить пути их устранения.
Сохранение мощностных показателей базового бензинового двигателя возможно лишь при соотношении массовых расходов водорода и бензина не более 5%. Этот результат полностью согласуется с данными ранее проводившихся экспериментальных исследований.
Все сказанное относится к традиционным системам смесеобразования – карбюраторным или системам с непрерывным впрыском топлива во впускной коллектор. Более современные схемы значительно облегчают проблемы, связанные с опасностью «хлопков». Так, в системах с дозированным впрыском топлива можно заменить топливные форсунки газовыми клапанами и настроить электронную систему управления так, чтобы подавать водород в цилиндр на такте впуска после закрытия выпускного клапана. Это исключает попадание водорода в выпускной коллектор и контакт его с горячими выпускными газами. Кроме того, отсутствие во впускном коллекторе водородовоздушной смеси существенно уменьшает вероятность взрыва в коллекторе. Тем не менее, контакт смеси в цилиндре с горячими деталями – выпускным клапаном и изолятором свечи зажигания – неизбежен. В какой-то мере проблему можно решить, внедрив мероприятия по улучшению охлаждения.
Однако в целом снижение мощности по сравнению с бензиновыми версиями неизбежно. В определенных случаях с этим можно мириться, учитывая, что снижение мощности компенсируется кардинальным снижением токсичности отработавших газов. Кроме того, двигатель, работающий на обедненной водородовоздушной смеси, выбрасывает в атмосферу и меньшее количество оксидов азота благодаря снижению температуры в зоне горения. Снижение мощности может быть компенсировано за счет наддува. Для этого потребуется существенная переработка конструкции базового двигателя, главным образом по усилению деталей, воспринимающих механические нагрузки.
Наиболее радикальным решением является использование схем с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Во-первых, теплотворную способность горючего газа (благодаря подаче топлива непосредственно в цилиндр) следует относить не к суммарному объему водорода и горючего газа в коллекторе, а непосредственно к количеству подаваемого в цилиндр воздуха. Соответственно, удельная теплотворная способность смеси повышается до 3800 кДж/м³. Это позволяет получать такую же мощность, как у бензинового двигателя, при одинаковых коэффициентах избытка воздуха.
Во-вторых, реализуемый в таких схемах принцип послойного смесеобразования в сочетании с широким диапазоном воспламеняемости водорода допускает значительное обеднение смеси на частичных нагрузках. Это способствует повышению эффективного КПД и уменьшению выбросов оксидов азота. Вероятность «хлопков» в данном случае исключена, поскольку во впускном коллекторе нет водорода. Преждевременное воспламенение смеси от нагретых деталей также маловероятно, так как впрыск водорода осуществляется только в конце сжатия.
Кроме того, согласование движения воздушного заряда с направлением и фазами подачи газа может быть организовано так, чтобы в контакт с наиболее горячими деталями входила более бедная смесь. Наконец, специальное исследование [4] показало, что при движении смеси относительно нагретой детали требуемая для воспламенения температура повышается.
Сведения, имеющиеся в литературе о двигателях с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием, относятся в основном к бензиновым версиям. Чтобы оценить перспективу применения таких схем в газовых и, в частности, водородных двигателях, в СПб ГПУ было проведено исследование на основе специально разработанной математической модели. В ней учитываются вязкость и нестационарность движения воздуха и газа, а также изменения объема камеры сгорания при движении поршня.
Результатом расчета являются поля скоростей, давлений, температур и концентраций компонентов топливовоздушной смеси в зависимости от угла поворота коленчатого вала. За счет подбора конфигурации камеры сгорания и параметров подачи водорода к моменту подачи искры может быть получена хорошо воспламеняемая смесь в зоне свечи и более бедная – в остальном объеме камеры сгорания. Тем самым достигается надежное воспламенение, быстрое и полное сгорание и минимальная токсичность отработавших газов.
Моделирование позволяет также выбрать рациональный алгоритм управления мощностью двигателя. Он предусматривает регулирование в диапазоне от номинальной мощности до средних нагрузок и частичное дросселирование (количественное регулирование) на режимах, близких к холостому ходу, во избежание переобеднения.
Таким образом, современный уровень развития двигателестроения позволяет создавать надежные, достаточно мощные, экономичные и малотоксичные двигатели, работающие на водороде. В качестве промежуточного этапа с целью накопления опыта могут рассматриваться варианты со смешанным водородно-бензиновым питанием, а также чисто водородные двигатели с пониженной мощностью.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что радикальное решение проблемы топлива для транспортных двигателей на основе применения водорода возможно лишь в комплексе с общей проблемой энергоснабжения промышленности и транспорта. Сегодня за счет нефтепродуктов производится около половины всей энергии, вырабатываемой в мире, – львиная доля при этом приходится на транспорт. Чтобы обеспечить его водородным топливом, потребуется не менее чем вдвое увеличить производство электроэнергии. По всей вероятности, это будет возможно лишь за счет широких программ строительства и эксплуатации АЭС.

Использованная литература

1.    Seleznev К. Р. & at. Development and Investigation of the Hydrogen Fueling Systems used for Automobile Engines / Ргос. of the 7-th World Hydrogen conf. Moscow: Pergamon Press, 1988, v.3 — P.2105-2118.
2.    Магидович Л. E., Румянцев В. В. Условия сгорания водородовоздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания / Двигателестрое-ние. 1983, №5.
3.    Галышев Ю. В., Магидович Л. Е., Румянцев В. В., Серебренников В. В. Основные принципы выбора и расчета системы водородного питания транспортного двигателя / Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. Труды ЛПИ №419 / / Л.: изд. ЛПИ, 1985. С.43-45.
4.    Enomoto R., Furuhama S., Nishiguchi Т. Ignitability of Hydrogen-Air Mixture by Hot Surfaces and Hot Gases in Hydrogen-Fueled Engine / JSAE Rev. №5, 1981, P. 23-29.

Индивидуальный проект «Водородный двигатель»

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение средняя общеобразовательная школа с.Дмитриевка муниципального района Уфимский район Республики Башкортостан.

Тема

«Двигатели на основе водородного топлива».

Работу выполнили учащиеся 11 класса

Мустафин Эрик.

Научный руководитель

Ахмедьянова Ирина Викторовна,

учитель математики.

Оглавление.

1. Введение…………………………………………………………2

2. 1. Водородный двигатель……………………………………….3

2. Химические и физические свойства водорода……………..4

3. Собрать простейший механизм электролиза воды…………5

4. Изучить схему работы водородного двигателя………….,..6

5. Заключение………………………………………………..

3. Список литературы…………………………………………..

1. Введение.

Транспорт является неотъемлемой частью нашей жизни, ведь благодаря ему мы, за короткий промежуток времени, можем достичь заданной нами точки. Практически весь транспорт использует обычное бензиновое или дизельное топливо. Но такой вид горючего сильно влияет на экологию нашей Земли, потому что выбрасывает в атмосферу огромное количество токсинов, приводящих к парниковому эффекту. Поэтому нужно искать альтернативу.

Гипотеза. Есть ли потребность в водородном двигателе?

Актуальность. Как известно, транспорт – важная часть в нашей жизни, который помогает нам добраться в любое место нашей Земли за короткое время. Но используемое нами топливо не экологично и может привести к неприятным последствиям. В исследовательской работе расскажу о принципе работы водородного двигателя, его применении в нашей жизни.

Цель: исследовать механизм водородного двигателя.

Задачи:

1. Собрать все сведение о водородном двигателе;

2. Изучить химические и физические свойства водорода;

3. Собрать простейший механизм электролиза воды;

4. Изучить схему водородного двигателя;

5. На основе собранной информации сформулировать выводы.

Методы исследования: эксперимент, сбор сведений, анализ полученной информации с интернет-ресурсов, метод классификации и обобщения материала.

2. Основная часть.

2.1. Водородный двигатель.

В настоящее время сильно загрязнена атмосфера и запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии. Одним из выходов является применение водородного двигателя, отличающегося большой экологичностью, а также обладающим максимальным КПД в сравнении с классическими двигателями. «Водород – горючее будущего» — с такими словами происходит внедрение водородных ДВС в транспортную и авиационную промышленность.

Франсуа Исаак де Реваз – первый создатель двигателя внутреннего сгорания, который работает на водороде. Создал он его в 1806 году. Водород получал методом электролиза воды.

Интерес к этим двигателем на водородном топливе появился в 1970-е года, когда случился топливный кризис. Появилось достаточно много успешных установок, которые работали стабильно, без взрывов. Однако после окончания кризиса, о водородном двигателе забыли. Сейчас интерес к таким двигателям снова растет, только уже из-за экологических проблем, которые рушат нашу Землю, а также из-за запасов нефти на планете, которые заканчиваются, а цены на нефтепродукты растут.

Водородный двигатель обладает рядом недостатков, не позволяющих вытеснить бензиновые и дизельные моторы. Это:

1. Дорогой и сложный способ получения топлива в промышленных объемах;

2. Водородный автомобиль имеет большую массу из-за применения мощных АКБ и преобразователей;

3. Имеются проблемы с хранением водородного топлива;

4. Главным вопросом в разработке водородных технологий является высокая стоимость материалов;

5. Отсутствие стандартов транспортировки и применения водородного горючего;

6. Высокая цена транспорта на водородном топливе.

Несмотря на ряд недостатков, у такого вида топлива предостаточно и плюсов, таких, как:

1. Высокая экологичность, ведь когда водород вступает в реакцию горения с кислородом, получается водяной пар;

2. Несложная конструкция;

3. КПД на водородном топливе намного выше, чем у ДВС;

4. Бесшумность.

2.2. Химические и физические свойства водорода.

Интерес ученых в области двигателестроения всегда привлекали своеобразные физико-химические свойства водорода, главным преимуществом которых является экологическая чистота рабочего процесса.

Физические свойства водорода:

Водород – легкий бесцветный газ, без запаха, в 14,5 раз легче воздуха. Водород является самым распространенным элементом Вселенной. В основном он находится в связанном состоянии – в составе воды, нефти, природного газа и т.д.

Химические свойства водорода:

Водород – неметалл. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной связью. С кислородом и воздухом водород образует взрывчатые смеси. Особенно опасна смесь одного объема кислорода и двух объемов водорода. Ее называют гремучим газом.

Получение водорода можно осуществить при помощи электролиза воды, но будет получаться водород и две молекулы гидроксогруппы: 2Н₂О+2 e⁻ → Н₂ + 2ОН⁻

Если в растворе присутствуют анионы F^—,SO^2-₄, NO^—₃, PO₄^3-, CO₃^2- и некоторые другие, то будет получаться кислород и две молекулы водорода: 2Н₂О — 4 e⁻ → О₂  + 2Н₂⁺

Взаимодействие с кислородом. При поджигании реакция протекает со взрывом: 2H₂ + O₂=2H₂O

2.3. Собрать простейший механизм электролиза воды.

Электролизёр – это специальное устройство, разделяющее компоненты раствора или соединения с помощью постоянного электрического тока.

Для наглядного примера получения гремучего газа я решил собрать простейшую установку электролизёра воды. Я соблюдал все меры предосторожности в работе с водородом, ведь это взрывоопасный газ! Вот простой чертеж моего электролизёра:

Ход работы:

1) В качестве пластин я взял обычные лезвия для канцелярского ножа, они отлично подходят для моей установки. Далее скрепил 5 лезвий на болте, оставляя между каждым расстояние в 5 мм. Всего должно получиться 4 ячейки.

2) Далее я соединил две такие части между собой так, чтобы между каждым лезвием было небольшое расстояние. В итоге, у меня получилось два блока ячеек.

3) Нашел стеклянную банку и подходящую герметичную к ней крышку. В крышке сделал отверстия для проводов и отсека для выхода водорода. В качестве трубки для выхода гремучего газа я взял систему капельницы. В итоге у меня получилась примерная установка:

Для того чтобы запитать наш электролизёр, потребуется напряжение в 5 Вольт и ток – от 5А до 10А. Я купил блок питания на 5В и 5А.

Запустив процесс расщепления воды, я увидел, как на стенках пластин начали появляться пузырьки газов. Для того, чтобы понять, что газ выходит через нашу систему выхода, я засунул трубочку в стакан с водой. В итоге из воды начали выходить пузырьки того самого газа. Эксперимент я считаю успешным.

2.4. Изучить схему работы водородного двигателя.

Водородный двигатель придумали уже достаточно давно и схем такого двигателя немало в интернет-ресурсах. Мы взяли пример автомобиля BMW 7 Series (Hydrogen) с двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде.

Принцип работы водородного двигателя почти никак не отличается от бензинового ДВС. Главным отличием является момент впрыска топлива. Так как реакция горения водорода происходит быстрее, чем у бензина или дизеля, газ подается в камеру сгорания позже, чем бензиновое или дизельное топливо.

Машина не оборудована электролизёром. Вместо этого установлено специальное хранилище водородного топлива, при этом водород хранится в жидкой форме при температуре не выше -253 градусов Цельсия. Имеется система охлаждения для предотвращения взрывов.

2.5. На основе собранной информации сформулировать выводы.

Выполняя исследовательскую работу, я понял, насколько важно найти альтернативный вид топлива. Планета Земля может стать непригодной для жизни человека из-за парникового эффекта, который возникает вследствие выбросов токсинов CO₂, приводящий к глобальному потеплению.

Водород является такой альтернативой к бензиновому топливу. Он ,имеет достаточно плюсов, таких, как: экологичность, высокий КПД, бесшумность, несложность в конструкции; но и минусов, которые не дают вытеснить классический вид топлива, – высокая цена на транспорт, дорогой способ получения водорода в промышленных объемах, проблемы с хранением водородного топлива, взрывоопасные свойства водорода и др.

Однако существуют успешные двигатели на основе водородного топлива, которые работают относительно стабильно, но мы на них не переходим. А всё потому, что практически отсутствует инфраструктура водородных заправок. Но есть ещё один момент, который не дает перейти нам на такой вид топлива. Это все нефтяные компании по производству бензинового и дизельного топлив. Если мир перейдет на водородный тип топлива, то бензин нам практически будет не нужен, тогда и экономика в этой сфере упадёт. Нефтяным компаниям это будет не выгодно.

Нужно не бояться перемен, бороться за экологию нашей планеты, создавать революционные технологии, и только тогда мы сможем сберечь наши будущие поколения от гибели.

1. Список использованной литературы.

http://krutimotor.ru/vodorodnyj-dvigatel-ustrojstvo/

https://principraboty.ru/vodorodnyy-dvigatel-princip-raboty/

https://motorist.guru/modeli/vodorodnyj-avtomobil.html

https://drivertip. ru/osnovy/kak-rabotaet-vodorodnyj-dvigatel.html

https://www.asutpp.ru/chto-takoe-elektrolizer-i-kak-ego-sdelat-svoimi-rukami.html

Оценка: к 2040 году будет использоваться 400 000 водородных двигателей внутреннего сгорания

Новое исследование Interact Analysis прогнозирует, что использование водородных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) резко возрастет в течение следующих пяти лет и будет расти экспоненциально в течение следующих 17 лет.

«Прогнозируется, что к 2030 году число зарегистрированных автомобилей с двигателем h3 ICE вырастет до 58 000», — сказал Джейми Фокс, главный аналитик Interact Analysis. «Охватывая все дорожные и внедорожные транспортные средства (включая поезда, сельскохозяйственное оборудование, грузовые и легковые автомобили), эта цифра должна значительно вырасти после 2030 года, при этом ожидается, что к 2040 году внедрение технологии h3 ICE увеличится до более чем 400 000 поставок. ».

Но для того, чтобы это произошло в будущем, транспортные средства с водородным ДВС сталкиваются с рядом препятствий, которые снижают их жизнеспособность как в настоящем, так и в ближайшем будущем. Главным из них является стоимость. Хотя затраты на производство водородных двигателей и самих транспортных средств относительно невелики и сопоставимы с дизельными двигателями, эксплуатационные расходы, вероятно, станут ограничивающим фактором.

«Из-за неблагоприятной совокупной стоимости владения и высокой стоимости топлива автомобили с ДВС h3 вряд ли станут лидером рынка», — признал Фокс. «Несмотря на многие экологические преимущества использования водородных транспортных средств, для их массового внедрения необходимо разработать необходимую инфраструктуру заправки и повысить окупаемость для клиентов. Мы по-прежнему видим множество ограничений в инфраструктуре заправки аккумуляторных электромобилей, поэтому маловероятно, что мы увидим значительные изменения в инфраструктуре h3 в течение многих лет».

См. также: Plug Power демонстрирует потенциал «зеленой» водородной магистрали

См. также: Westport и Johnson Matthey объединяют усилия по дополнительной обработке выбросов водорода

В настоящее время средняя стоимость топлива за милю за h3 выше, чем для аккумуляторных электромобилей и электромобилей на топливных элементах, что делает технологию h3 ICE лучше всего подходящей для приложений с небольшим пробегом/часами в день. Interact Analysis отметила, что «внедорожники, возможно, лучше всего подходят для этой технологии, поскольку альтернативы аккумуляторным батареям и топливным элементам сталкиваются с более серьезными инфраструктурными проблемами в условиях бездорожья»

Двигатели с водородным двигателем также потребуют незначительных изменений, таких как используемые материалы и компоненты, такие как другие свечи зажигания, и в целом будут более сложными и сопряжены с большими рисками на стороне производства. Фирма добавила, что еще одним препятствием, которое необходимо преодолеть, станет топливная инфраструктура.

Тем не менее, стоит отметить, что многие из этих проблем могут быть решены или улучшены благодаря постоянному развитию технологий, связанных с водородными автомобилями. Interact Analysis прогнозирует, что стоимость водорода со временем значительно снизится, и, если она продолжит снижаться такими же темпами, автомобили с водородным двигателем могут стать более конкурентоспособными в более широком диапазоне применений в будущем.

Производитель двигателей Cummins в настоящее время разрабатывает варианты, позволяющие сделать ДВС h3 жизнеспособным в будущем:

Что делает водородный двигатель внутреннего сгорания Toyota особенным?

Автопроизводитель уже выпустил автомобиль на топливных элементах, но теперь он также работает над использованием h3 по-новому.

Toyota разрабатывает новый автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания, взяв новое направление, используя h3 помимо своего Mirai, который питается от топливного элемента.

Японский автопроизводитель стремится максимально использовать h3, и некоторые подозревают, что это может оставить позади электромобили.

С двигателем внутреннего сгорания на водороде Toyota работает над новой ветвью своего диверсифицированного подхода к углеродной нейтральности. Хотя автопроизводитель начал сокращать количество автомобилей, работающих на ископаемом топливе, начиная с 1997 года, когда он впервые выпустил свой Prius, автопроизводитель не положил все свои яйца в полностью электрическую корзину. Более того, первый выпущенный полностью аккумуляторный электромобиль (EV), BZ4X, был продан всего в нескольких сотнях единиц (к октябрю 2022 г.), и компания не намерена увеличивать производство этого автомобиля до 2025 г.

«Люди, занятые в автомобильной промышленности, в основном представляют собой молчаливое большинство», — сказал президент Toyota Акио Тойода. «Это молчаливое большинство задается вопросом, действительно ли электромобили можно использовать в качестве единственного варианта. Но они думают, что это тренд, поэтому не могут говорить вслух. Поскольку правильный ответ все еще неясен, мы не должны ограничиваться одним вариантом».

Несмотря на то, что продажи аккумуляторных электромобилей значительно превосходят автомобили h3, по данным JD Power, эти автомобили по-прежнему составляют лишь небольшую часть всего рынка новых автомобилей.

Компания Toyota недавно представила концепт-кар Corolla Cross h3 с водородным двигателем внутреннего сгорания.

В то время как электромобиль Mirai на топливных элементах медленно развертывается и ограниченно используется — по целому ряду причин — прототип Toyota для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) h3 в виде концепта Corolla Cross h3 открывает новую Категория для этих автомобилей.

Водородный двигатель внутреннего сгорания Toyota был разработан на основе 1,6-литрового трехцилиндрового двигателя с турбонаддувом, который уже использовался в GR Yaris и GR Corolla. Конечно, он был изменен, чтобы использовать h3 в качестве топлива. Процесс этой переделки включал добавление сверхмощного топливного бака, чтобы содержать H3 под высоким давлением. Этот компонент был украден у Mirai.

Другие изменения, внесенные в конструкцию, включают более прочные шатуны, усиленные клапаны и седла клапанов, а также газовые (не жидкостные) топливные форсунки. Прототип, как и стандартная Corolla, вмещает 5 человек плюс их багаж.

Водородный двигатель Toyota обеспечивает быструю заправку и требует меньшего количества редких металлов.

Водородный двигатель Toyota предлагает ряд преимуществ, в том числе по сравнению с электромобилями. Среди них можно отметить тот факт, что этот ДВС h3 имеет большую дальность полета и чрезвычайно быстрое время дозаправки. На самом деле GR Yaris h3 можно заправить всего за 90 секунд.

Помимо этих преимуществ для водителя, существует также преимущество в отношении стоимости, нехватки материалов и экологичности, заключающееся в том, что не требуется почти столько редких металлов, как литий или никель, которые имеют решающее значение для производства аккумулятор. Хотя у этого автомобиля есть аккумулятор, он значительно меньше электромобиля.

Концепт-кар Corolla Cross h3 в настоящее время проходит испытания в реальных условиях. Ожидается, что в ближайшее время начнутся испытания зимних дорог. Эти испытания пройдут на севере Японии.

В то время как водородные автомобили уже доступны и разрабатываются с использованием топливных элементов, двигатели внутреннего сгорания на водороде добавят новые технологические возможности для автопроизводителей и водителей.