Водородные двигатели по-прежнему остаются одним из перспективных направлений автомобильной промышленности. Его работа дала ему ряд преимуществ, удерживая его на плаву, несмотря на его неудачи. С этой целью Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford и другие бренды вложили значительные средства в эту технологию. Двигатели, использующие водород, включают двигатели внутреннего сгорания и конверсионные двигатели на топливных элементах. Многие люди не знают как работает водородный двигатель и их соответствующие преимущества и недостатки.
По этой причине мы собираемся посвятить эту статью тому, чтобы рассказать вам, как работает пошаговый водородный двигатель, каковы его характеристики и его значение для автомобильного мира.
Как работает двигатель внутреннего сгорания на водороде?
Эти двигатели используют водород в качестве бензина. То есть они сжигают его в камере сгорания, чтобы создать взрыв (кинетическая энергия и тепло). По этой причине, обычные бензиновые двигатели могут быть адаптированы для сжигания водорода в дополнение к СНГ или КПГ.
Работа этого двигателя очень похожа на работу бензинового двигателя. В качестве топлива используется водород, а в качестве окислителя – кислород. Химическая реакция инициируется искрой, а свеча зажигания может дать искру. Водород не имеет атомов углерода, поэтому реакция такова, что две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода, высвобождая энергию и воду.
Результатом его химической реакции является просто водяной пар. Однако двигатели внутреннего сгорания на водороде производят некоторые выбросы во время своей работы. Например, небольшое количество NOx из воздуха и тепла из камеры сгорания или выбросы от сжигания масла через поршневые кольца.
Поскольку водород является газом, он хранится в резервуаре с давлением 700 бар. Это в 350-280 раз выше, чем обычное давление в автомобильных шинах. (от 2 до 2,5 бар). Хотя есть и автомобили, которые хранят водород в жидком виде при очень низких температурах, как показано ниже.
Двигатели внутреннего сгорания на водороде обладают некоторыми интересными преимуществами по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания. Например, теоретически они могут использовать очень тонкие смеси (лямбда близка к 2). То есть они могут использовать очень мало топлива, чтобы использовать весь поступающий воздух и стать очень эффективными.
Пример работы двигателя внутреннего сгорания на водороде
Хорошим примером водородного двигателя является BMW 750hl, появившийся на рынке в 2000 году. Хотя на самом деле это бензиновый двигатель BMW, он также способен сжигать водород.
Однако у него есть несколько недостатков: во-первых, он хранит водород в жидком виде. Для этого требуется очень дорогой бак, сделанный из материалов из аэрокосмический сектор, чтобы удерживать температуру ниже -250ºC. Этого можно достичь только в течение 12–14 дней, в течение которых водород постепенно испаряется и безопасно выбрасывается в атмосферу. Второй недостаток заключается в том, что при использовании водорода вы теряете много мощности и эффективности. Более поздний BMW Hydrogen 7 2005 года частично решил эти проблемы и увеличил давление водорода до 700 бар, не оставляя его холодным.
Другой хороший пример — водородный двигатель Aquarius. Двигатель на ископаемом топливе, разработанный израильской компанией, подходит для использования водорода. Первая функциональная версия была представлена в 2014 году и с тех пор появилась переработанная и улучшенная версия. По словам его разработчиков, он может работать без смазочного масла и имеет система газообмена для снижения выбросов NOx.
Кроме того, водородный двигатель внутреннего сгорания легкий и состоит из небольшого количества деталей, что делает его производство дешевым. Его можно использовать как расширитель диапазона для электромобилей или как генератор для сети.
Как работает двигатель на водородных топливных элементах?
Его полное название — водородный двигатель, переделанный из топливных элементов. Несмотря на слово «топливо», они не сжигают водород. Они используют его для выработки электроэнергии посредством процесса, обратного электролизу. Вот почему они носят батареи для химических реакций, как в водородном двигателе внутреннего сгорания, где водород хранится в резервуарах с давлением 700 бар.
Просто вместо того, чтобы подавать его на двигатель, он проходит через анод и катод (как аккумулятор) к топливному элементу. Оказавшись там, газообразный водород (H2) проходит через мембрану и расщепляет ее на два иона водорода. Водород и два свободных электрона. Эти электроны проходят от анода к катоду батареи через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Образовавшиеся ионы водорода соединяются с кислородом воздуха, образуя воду.
По этой причине двигатель на водородных топливных элементах не имеет выбросов, поскольку он не производит NOx или газы, которые образуются при сжигании масла, как двигатель внутреннего сгорания. Диафрагмы, используемые в этих двигателях, сделаны из платины и стоят дорого. Тем не менее, есть работа по решению этой высокой стоимости. Например, в Техническом университете Берлина разработали ферросплав, запуск которого в производство мог бы значительно снизить затраты.
Недостатки водородных двигателей
- Катализаторы, используемые в химических реакциях двигателей на водородных топливных элементах изготавливаются из дорогих материалов, таких как платина. По крайней мере, до тех пор, пока его не заменит более дешевая альтернатива, вроде упомянутой в TU Berlin.
- Чтобы получить водород, это должно быть сделано термохимическими процессами ископаемого топлива или электролизом воды, что требует затрат энергии. Основная критика водородных двигателей заключается в том, что электроэнергию можно хранить непосредственно в аккумуляторе электромобиля для использования.
- Как только водород получен, должны быть введены в ячейку или резервуар высокого давления. Этот процесс также требует дополнительных затрат энергии.
- Водородные батареи дороги в производстве и должны быть очень прочными, чтобы выдерживать высокое давление, при котором должен храниться водород.
Преимущества водородных двигателей
- Водородные аккумуляторы легче аккумуляторов электромобилей. Вот почему его использование в тяжелом транспорте изучается как альтернатива аккумуляторным электромобилям. Чтобы иметь возможность преодолевать большие расстояния, они очень тяжелые.
- Сегодня зарядка водорода происходит быстрее, чем зарядка аккумулятора электромобиля.
- В отличие от аккумуляторных электромобилей, автомобили на водородных топливных элементах не требуют больших батарей. Следовательно, требуется меньше лития или других материалов, которых может не хватать. Водородные двигатели внутреннего сгорания напрямую не требуют литиевых батарей или других подобных батарей.
- Топливные элементы могут продлить жизнь автомобиля. В отличие от аккумуляторов, замена которых обходится дорого из-за их размера и емкости. Аккумуляторы, используемые в водородных двигателях, меньше по размеру и, следовательно, дешевле в замене.
- По сравнению с двигателями, работающими на ископаемом топливе, в двигателях на водородных топливных элементах используются электродвигатели, поэтому они очень тихие.
Автономия
Недостатком водородных двигателей является то, что их баки или топливные элементы должны содержать водород под очень высоким давлением. Таким образом, точка подачи также должна соответствовать давлению 700 бар, которое она поддерживает.
Это требует создания инфраструктуры снабжения, чтобы иметь возможность заправлять этот тип транспортных средств. Тем не менее, у него те же проблемы, что и у чисто электрических транспортных средств. Однако операция дозаправки выполняется намного быстрее, чем у них, поскольку она такая же, как у автомобилей, работающих на сжиженном газе или GLC.
Автомобили, оснащенные в настоящее время двигателями на водородных топливных элементах, имеют запас хода, аналогичный бензиновым. Например, Toyota Mirai объявила о 650 км пробега с полностью заряженной батареей, Hyundai Nexo — 756 км, а BMW iX5 Hydrogen — 700 км.
Другие, такие как Hopium Machina, объявили о дальности полета в 1.000 км, хотя теперь эту цифру нужно будет подтвердить, когда это произойдет. В любом случае автономность не так важна, как батарея, ведь заправка происходит намного быстрее. Важно помнить о количестве топливных баллов.
Они в безопасности?
Бренды годами работают над двигателями этого типа, чтобы повысить их эффективность, снизить затраты и, конечно же, сделать их такими же безопасными, как и те, которые работают на ископаемом топливе.
Кроме того, стандарты безопасности, требуемые Европой, США и Японией, являются гарантией безопасности транспортных средств, работающих на водороде. Излишне говорить, что Toyota рекламирует это Бензобак Mirai достаточно прочен, чтобы быть пуленепробиваемым.
Увидим ли мы день, когда все автомобили будут работать на водороде? Время все покажет. Понятно, что бренды продолжают инвестировать, и у него есть некоторые преимущества, которые делают его разумной альтернативой транспорту с нулевым уровнем выбросов.
Я надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о том, как работает водородный двигатель, его характеристиках, преимуществах и недостатках.