logo1

logoT

 

Водородный двигатель принцип работы


Toyota собирается расширять производство автомобилей с водородным двигателем | Новости из Германии о событиях в мире | DW

Японский автопроизводитель Toyota собирается расширить выпуск машин с водородным двигателем. В компании полагают, что в перспективе оснащать такими моторами можно будет не только автомобили класса люкс, но и компактные модели. Об этом сообщил немецкой газете Welt am Sonntag пресс-секретарь концерна Toyota Хисаши Накаи. Материал будет опубликован в воскресенье, 24 марта.

В то же время при попытке найти замену классическому двигателю, сжигающему бензин или дизельное топливо, немецкие автопроизводители VW, BMW и Daimler договорились сконцентрироваться на создании электромобилей.

"В ближайшем будущем это будет лучшей и самой эффективной возможностью снизить выбросы в атмосферу углекислого газа", - прокомментировал этот решение глава концерна VW Герберт Дис (Herbert Diess).

Преимущества водородного двигателя

Однако японцы решили пойти иным путем и сделать ставку на термоэлектрический генератор, самым распространенным видом которого является водородный двигатель.

"Мы относимся с пониманием к тому, что кто-то, возможно, хочет сконцентрироваться только на одной технологии", - отметил представитель концерна Хисаши Накаи. - Однако считаем, что нам нужно и то, и другое - электробатарея и термоэлектрический генератор".

Главные преимущества водородного двигателя состоят в том, что он работает бесшумно и не производит вредных выбросов в атмосферу. Автомобиль Toyota Mirai, уже продающийся и в России, стал первой в мире автомоделью с водородным двигателем в серийном производстве. Сегодня автомобили с водородными двигателями выпускают и другие производители, такие как Hyundai. 

Принцип работы водородного двигателя

Принцип работы водородного двигателя состоит в следующем. Углеродные топливные баки автомобиля заправляются сжатым водородом. Потом через передний воздухозаборник поступает необходимый для работы двигателя воздух.

В результате химической реакции при взаимодействии водорода и кислорода из поступившего воздуха вырабатывается электроэнергия. При нажатии на педаль газа образовавшееся в результате реакции электричество приводит в действие электромотор, и автомобиль начинает движение.

Единственный побочный продукт этого процесса - вода, которая не наносит вреда окружающей среде, указывается на сайте японского автопроизводителя.

Компактные автомобили с водородным двигателем

До сих пор водородный двигатель не смог найти широкого применения в автостроении. Тем не менее специалисты Toyota полагают, что по мере проникновения таких машин на рынок их производственные расходы сократятся на столько, что автомобили с водородным двигателем станут рентабельными не только в среднем и премиум-классе и среди компактных автомобилей.

"Даже если на это потребуется время, в перспективе будут производиться и компактные автомобили с термоэлектрическими генераторами", - подчеркнул Накаи.

______________

Подписывайтесь на новости DW в | Twitter | Youtube | или установите приложение DW для | iOS | Android

Смотрите также:

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Скромная доля электромобилей на рынке Германии

    Почти 17 200 электромобилей было продано в Германии в первом полугодии 2018 года - и еще 16 700 машин с гибридным приводом. Это хотя и означает рост по сравнению с аналогичным периодом прошлого года на 51%, но в сравнении с продажами новых бензиновых и дизельных машин составляет лишь 1,8%. Ничтожно мало - по сравнению с почти 40% в Норвегии, являющейся мировым лидером по этому показателю.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Отставание по электромобильности

    Причин отставания две. Немецкий автопром слишком долго не верил в приход новой эры электромобильности, делая ставку на двигатели внутреннего сгорания, в производстве которых немцы были в числе мировых лидеров. В итоге, многие электромобили сегодня существуют в основном на бумаге (см. фото). Другая причина - предоставление властями льгот покупателям электромобилей началось в ФРГ лишь недавно.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Перелом с сентября 2018 года?

    Но сентябрь 2018 года может стать поворотным моментом. Прежде всего благодаря презентации электрического внедорожника e-tron. Это первая модель Audi, работающая полностью на электромоторе - и, как признают в самой компании-производителе, ее первая "вызревшая" серийная модель электромобиля. Поставки первым покупателям начнутся уже в конце 2018 года, а зарезервировать машину можно уже сейчас.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    E-tron на троне?

    Презентация Audi e-tron состоялась 17 сентября в США, что можно истолковать как готовность потягаться силами с мировым лидером в производстве элитных электромобилей, американской компанией Tesla. Так, e-tron будет иметь запас хода в 400 км, что сравнимо с Model 3 от Tesla.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Volkswagen пока не впечатляет

    У электромобилей других марок, которые, как и Audi, принадлежат концерну Volkswagen, цифры менее впечатляющие. Так, под брендом Volkswagen концерн сейчас продает клиентам только 2 электрические модели - E-Golf (с начала 2014 года) и E-Up (с конца 2013). Технические характеристики таковы: запас хода у E-Golf - 300 км (и это по старым, менее экологичным нормам), у E-Up - 160 км.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Будущее называется I.D.

    В этом году премьер электромобилей от VW не ожидается. Концерн сейчас перестраивает свой завод в немецком Цвикау, где в 2019 году начнется производство совершенно новой линейки электромобилей под общим брендом I.D. Среди прочего - и изображенного на фото микроавтобуса I.D. Buzz.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Другое будущее под названием EQC

    Пытаются наверстать упущенное и в концерне Daimler. Сайт автопроизводителя, оттенив прошлые эксперименты с электромобильностью, уже вовсю рекламирует новую линейку электромобилей марки Mercedes - EQC. Но в серию первая машина EQC - внедорожник - выйдет в середине 2019 года. Следом за внедорожником компания обещает полную линейку на новой технологии, от компакт-класса до премиум-сегмента.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Smart только электрический

    А вот принадлежащая Daimler марка Smart будет полностью переориентирована на электромобильность. С 2020 года машины Smart будут продаваться во всей Западной Европе только с электрическим двигателем. А в США, Канаде и Норвегии от бензиновых Smart отказались еще 2017 году.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    BMW удивит в 2020 году

    BMW уделяла внимание электромобильности больше других немецких автопроизводителей - так что уже имеет в активе две серийные модели машин с электрическими двигателями: i3 (на фото) и i8. Но с запасом хода в 200 км (i3) и у баварских автопроизводителей есть куда расти - поэтому с 2020 года BMW обещает вывести на рынок новые серийные модели электромобилей.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Porsche нужно еще время

    Миллиарды евро инвестирует сейчас в разработки и другая дочерняя фирма Volkswagen - Porsche. Полностью электрическая модель этого бренда ожидается в 2020 году. Предварительное название модели - Taycan.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Opel ждут перемены

    Поклонники выпускающейся в ФРГ марки Opel могли уже с 2012 года купить электромобиль Ampera. Но на самом деле он производился в США. Поэтому после приобретения компании Opel в 2017 году французским концерном PSA новый владелец объявил о планах по выпуску новых электромобилей: в 2020 году на рынок должна выйти новая Corsa с электрическим приводом, а к 2022 - еще четыре модели электромобилей.

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Стартапы в эру электромобильности

    Перспективы электромобильности увлекли не только гигантов немецкого автопрома, но и небольшие стартапы. Например, ахенская фирма e.GO Mobile AG, созданная всего лишь в 2015 году, уже к концу 2018 года собирается выпустить на рынок свою первую серийную модель e.GO Life (на фото).

  • Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

    Почтальон приезжает на электромобиле

    А немецкая почта - Deutsche Post, так и не найдя в 2014 года ни одного автопроизводителя, готового поставить небольшие автофургоны для развоза почты, сама приобрела никому не известную тогда фирму StreetScooter. Фирма прекрасно справилась с заданием, и сейчас по дорогам Германии разъезжает уже более 6 тысяч выпущенных ею желтых электромобилей.

    Автор: Инза Вреде, Павел Лось


Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

  • В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
  • В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
  • В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
  • В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
  • На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
  • Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
  • В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
  • В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

  • Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
  • Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
  • Бесшумная работа двигателя;
  • Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
  • Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

  • Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
  • Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
  • Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
  • Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

  1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
  2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
  3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

Содержание статьи

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

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

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

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы  и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород  весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для  авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Читайте также

как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.

Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

  • паровая конверсия метана и природного газа;
  • газификация угля;
  • электролиз воды;
  • пиролиз;
  • биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.

Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.

Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.


Источник

Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.

В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.

Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.

Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.

Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.

Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.

Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.


Водородные АЗС в 2019 году(источник)

Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

Водородный двигатель автомобиля - как работает и основные недостатки

Авто компании разрабатывают новые виды двигателей для автомобилей будущего. Кто-то ставит ставку на электромоторы, а кто-то разрабатывает водородные двигатели. Рассмотрим водородный двигатель и его преимущества.

Как работает

Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному — электрохимический генератор. Это своего рода «вечная» батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. Т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.

Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.

Потому что главный источник энергии — блок топливных элементов — выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных — не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90%, уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.

В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.

Главные недостатки

Главный недостаток — высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.

Серьезный недостаток — энергетическая эффективность. Если использовать водород только как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30% с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80% у электромобилей.

Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше — до 70%. Правда, ценой выбросов углекислого газа.

Если производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать на водородном топливе и бензине. Владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.

Лет через десять, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии не радуют. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах — она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороге гибридных версий.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2021 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom) . Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

  • После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
  • Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
  • Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
  • Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
  • Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
  • Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
  • Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять h3 в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Что такое система охлаждения двигателя и как работает

По сути это система, интегрированная с двигателем. Она отводит избыточное тепло с помощью специальной жидкости.

В системе жидкостного охлаждения двигатель окружен водяными рубашками. С помощью насоса эта вода циркулирует в этой водяной рубашке.

Вода, текущая в этих рубашках, отводит тепло от двигателя. Эта горячая вода затем течет через радиатор, где охлаждается от холодного тепла, выдуваемого через вентилятор.

В этой системе вода отбирает тепло у двигателя, и охлаждается воздухом, а затем снова циркулирует в двигателе.

Это косвенный процесс охлаждения, когда фактическое охлаждение, то есть воздух, не охлаждает систему напрямую. При этом воздух охлаждает воду, а вода охлаждает двигатель.

Система жидкостного или непрямого охлаждения используется в больших двигателях, в таких как легковые и грузовые автомобили.

Преимущества жидкостной системы охлаждения

  1. Компактный дизайн.
  2. Обеспечивает равномерное охлаждение двигателя.
  3. Двигатель может быть установлен в любом месте автомобиля.
  4. Может использоваться как на малых, так и на больших двигателях.

Недостатки системы жидкостного охлаждения

  1. В ней водяная рубашка становится еще одной частью двигателя. При этом в случае выхода из строя системы охлаждения двигатель может получить серьезные повреждения.
  2. Она требует регулярного технического обслуживания и, таким образом, создает дополнительные расходы на обслуживания.

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

  • Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
  • Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
  • Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на h3, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Авто на водороде

  • Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
  • Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
  • Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
  • Часть автобусов MAN работает на водороде.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

  1. Моторы внутреннего сгорания;
  2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от h3O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается h3, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

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.

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.

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.

Ещё одна хорошая статья: ТОП 150 полезных советов, как выбрать автомобиль с пробегом: как выбрать подержанный автомобиль, что смотреть и что нужно знать, как обезопасить себя

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 использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

  • НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.

  • НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
  • НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
  • В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

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?

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

  • ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
  • ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
  • ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу h3 — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
  • ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

  • Минимальный уровень шума;
  • Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
  • Большой запас хода;
  • Низкий расход горючего;
  • Простота обслуживания;
  • Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

  • СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ h3 ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы h3 быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного h3 равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
  • ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.

  • НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения h3 в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение h3 невозможно.
  • ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

  • Опасность пожара или взрыва.
  • Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
  • Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
  • Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

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.

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения h3 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество h3 приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный h3 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

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?

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

  • Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.

  • Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.

  • Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
  • «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2021 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
  • Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.

  • Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2021 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.

  • Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.

  • БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2021 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.

  • В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2021 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.

  • Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2021 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.

  • Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2021 года.

  • Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.

  • Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.

  • Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе h3 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Водородные автомобили: есть ли у них будущее

Электрокары наступают, но по-прежнему не играют существенной роли на подавляющем большинстве авторынков мира. Но даже с тотальным переходом на электрические автомобили экологическая проблема в силу разных причин решена не будет. На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на водородном топливе. В этом материале Дром обобщит имеющуюся информацию — что такое водородомобиль и какие у него перспективы.

Производство автомобилей на водородных топливных элементах в мире (статистика и прогноз)

ГодКоличество
2020*<50 000
2021*<100 000
2025*≈3-5 млн
2030*≈10-15 млн

*Прогноз Hydrogen Council

Принцип работы водородомобилей

По факту водородомобиль приводится в движении электромотором. Просто батарея, в отличие от полностью электрического автомобиля, получает ток не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом.

Реакция происходит внутри ячеек топливных элементов. То есть топливный элемент — это нечто вроде реактора. Сама ячейка состоит из пары пористых электродов — анода (-) и катода (+), разделенных полимерной мембраной с тонким слоем катализатора.

Со стороны анода из бака (баллона) подается водород, а со стороны катода — кислород. Происходит химическая реакция. Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны задерживаются и создают напряжение. Полученное электричество передается на электромотор и приводит в действие колеса. «Выхлопом» химической реакции становится чистый водяной пар, что вполне вписывается в европейскую концепцию «нулевого выхлопа».


Суть работы водородомобиля — в получении электричества в ходе анодной реакции и его последующей передаче на электромотор или на батарею, а потом на электромотор. К аноду подается молекулярный водород h3, к катоду — кислород O2. Соединяясь в присутствии катализаторов, молекулы водорода и кислорода образуют воду и выделяют свободные электроны

Вместе с нулевым выхлопом концепция развития электроводородных автомобилей предусматривает отказ и от технического обслуживания в привычном его понимании. Менять масло в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, равно как и свечи, больше не придется. Теоретически это положительно сказывается как на комфорте и стоимости эксплуатации, так и на экологии.

Но есть и альтернативный вариант — использовать водород в качестве топлива для ДВС. И тогда привычные ТО с определенной периодичностью сохранятся. В начале XXI века по этому пути пошли инженеры BMW и мелкосерийно сделали двухтопливные модификации BMW 7-й серии для корпоративных клиентов, которые можно было заправлять как бензином, так и водородом.

Впрочем, уже в 2020-м баварцы представили предсерийный концепт водородного кроссовера на базе X5. И он уже сделан по традиционным рецептам строения водородомобилей — то есть без применения ДВС.

Где берут водород

Чтобы в водородомобиле случилась химическая реакция, его нужно заправить водородом, а прежде этот водород получить. В готовом виде водорода в природе почти нет. Получается он при помощи химических реакций. С экономической точки зрения дешевле всего добывать водород из газа (пропан, метан). Для этого с применением катализатора при большой температуре (700–1000 ºС) и давлении газ нужно смешать с водяным паром. Но при сжигании газа все равно выделяется вредный углекислый газ, из-за которого и борются с традиционными ДВС.


Полностью экологичных способов производства водорода пока не так много. Бóльшая часть производств связана с сжиганием углеводородов, что не назовешь верхом экологичности

Можно получить водород из угля, и больше всего для этого подходит бурый уголь. Он легче всего воспламеняется и поэтому практически не транспортабелен, но зато недорог. Таким образом, там, где есть бурый уголь, можно получать относительно недорогой водород.

Можно использовать водород, который производится как побочный продукт в промышленности. По подсчетам автопроизводителей, в мире его ежегодно выделяется столько, что хватит на питание 250–750 тысяч (в зависимости от расхода и других факторов) водородомобилей. Если решить проблему масштабного производства водорода за относительно разумные деньги, то это может стать дополнительным драйвером роста для развития водородной инфраструктуры. Но неуглеводородные способы добычи водорода пока только муссируются на уровне идей.

Где и как заправляться водородом

В то же время уже сейчас видна определенная динамика: если сравнивать количество водородных заправок в начале века с их количеством в 2021 году, то ситуация с переходом на водород не кажется безнадежной.

Полтора десятилетия назад ограниченность инфраструктуры сдерживала рост электромобилей, но к 2020-му с ее развитием и снижением себестоимости батарей увеличилась и доля электромобилей в глобальном парке машин.

Но в случае с водородом ситуация развивается не так.


Только в 2020 году в США стали появляться водородные заправки, на которых можно заправиться самостоятельно. Ранее этот процесс сопровождался сложностями из-за взрывоопасности водорода. Где-то заправку производила автоматика, а где-то — обученные заправщики

Во-первых, зарядные станции проще и дешевле. По сути, это корпус с трансформатором внутри, подключенный к электросети. Учитывая, что в городах электричество проведено повсеместно, это делает возможным установку зарядных станций на улицах, парковках и рядом с торговыми центрами.

Водород же взрывоопасен, и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что удорожает и усложняет создание водородных заправок.

Во-вторых, взрывоопасность водорода требует не только осторожности при хранении, но и при заправке. На экспериментальных водородных заправках начала двухтысячных в Германии процесс установки пистолета в горловину бака был автоматизирован, а на японских заправках с водородом за это отвечал специалист. Впрочем, в США к 2021 году появилось несколько водородных заправок (не больше десяти), не требующих специальной подготовки. Одна неофициальная водородная заправка есть и в России.

Водородные заправки


Синим цветом помечены водородные заправки Германии по состоянию на 2015 год. Тогда их было девять. В 2019-м количество выросло до 50, а в 2020-м планировалось довести его до 100. Возможно, сложности 2021 года внесут в планы коррективы. Но если все пойдет хорошо, то к 2023-му водородных заправок будет примерно 400

В создание сети водородных заправок в Германии инвестирует группа частного бизнеса. В 2015 году компании Air Liquide, Linde, OMV, Shell и Total создали в Берлине совместное предприятие h3 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG и заложили на реализацию расходы в 400 млн евро. Кроме топливных компаний к проекту также присоединились Daimler, BMW, Volkswagen, Honda, Toyota. Помимо h3 MOBILITY Deutschland GmbH развитием водородных заправок в Германии занимается Clean Energy Partnership (CEP).


По состоянию на 2021 год в Японии было примерно 90 автомобильных водородных заправочных станций. К 2021 году планировалось нарастить их количество до 160

Эксплуатационные отличия водородомобилей от ДВС и электрокаров

Конечного потребителя экология волнует в меньшей степени, ему важнее потребительские качества автомобиля. Пока самый универсальный автомобиль для жизни — машина с ДВС. Она обеспечивает максимальный запас хода, способна работать в разных температурных условиях и заправляется за пару минут.

Электромобиль же по-прежнему ограничен дальностью проезжаемых расстояний, количеством зарядных станций, а также длительностью процесса зарядки и эксплуатацией в холодном климате.

У водородомобилей тоже есть сложности с холодным пуском. Недавние испытания предсерийного Hyundai Nexo задекларировали беспроблемный пуск при -6 ºС. Впрочем, еще в 2006 году разработчики Chevrolet Equinox заявляли, что их продукт способен работать даже при температуре в -25 ºС, но не подтверждали это экспериментально. Зато, в отличие от электрокара, заполнить баки водородом можно за три-пять минут. Но вот привод на колеса всегда будет неполным, конечно, если не поставить на обе оси по отдельному электродвигателю.

Водородные концепты и мелкосерийные проекты прошлого

Эксперименты с водородной темой начались задолго до наступления XXI века. Первопроходца в этой гонке не выделить. Все производители мира еще в конце прошлого века были убеждены, что разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах нужно, но какая из альтернатив в итоге превратится в крупносерийную, никто в автомобильной индустрии не знал ни тогда, ни сейчас.

Удивительно, но от водородной темы не уклонился даже АвтоВАЗ. Направление называлось АНТЭЛ — автомобиль на топливных элементах. Еще в 2001 году тольяттинцы, используя технологии военно-промышленного комплекса, сделали водородную «Ниву», а потом и универсал десятого семейства. Правда, в отличие от зарубежных проектов весь салон вазовских концептов был занят инженерными элементами.

К середине 2000-х водородомобилестроение расширилось. Американцы сделали футуристичный концепт Chevrolet Sequel, а после мелкосерийно оборудовали Chevrolet Equinox водородными элементами.

В 2011 году немцы выпустили 13 экспериментальных Mercedes B-класса F-cell, которые отправились в автопробег, в том числе и по России. В 2014-м VW Group представил три модели на водороде: Audi A7 h-tron, Volkswagen Golf и Passat американского типа. Впрочем, это были не первые водородные проекты концерна Volkswagen AG.

И это далеко не все пробы автопроизводителей по созданию водородомобиля.

Дмитрий Онищенко

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана

— При попытке заменить ДВС надо понимать конечную цель. Если мы говорим о снижении вредных выбросов в атмосферу вплоть до нуля, то водородо- или электромобили имеют право на жизнь. Даже сейчас переход на экологические стандарты Евро-7 — вызов для машин с ДВС, причем не только для инженеров, но и для конечных потребителей. Потому что переход на Евро-7 напрямую связан с потерей эксплуатационных характеристик моторов внутреннего сгорания: динамических, ресурсных, к тому же с ростом стоимости.

В автомобиле необходимо три типа энергии: механическая (вращает колеса), электрическая (для питания бортовой электроники), тепловая (для нагревания салона). ДВС уже доказал свою состоятельность во всех трех плоскостях. У транспорта на электричестве большие проблемы с тепловой энергией. Показателен пример с электробусами в Москве, которые зимой обогреваются за счет дизельного отопителя. А между тем в отопителе дизель сгорает при атмосферном давлении и выделяет больше вредных веществ, чем современный мотор с предварительно подготовленными воздухом и топливной смесью.

Шагом вперед может стать переход на двигатели с управляемым балансом для увеличения КПД. И в этом может помочь так называемый водородный дизель. Но пока основные проблемы водородомобилей — в отсуствии экологически чистого водорода (без сжигания углеводородов), необходимости его охлаждения до жидкого состояния с последующим поддержанием его в таком состоянии. Все это пока делает водородомобили дорогими и штучными.

Кстати, в индустрии существует такое понятие, как «эквивалентная токсичность». Например, в профессиональной среде есть мнение (подчеркиваю, что это не факт), что продукты износа автомобильных шин оказывают природе больший вред, чем машины даже со стандартами Евро-4.

Серийные и мелкосерийные водородные проекты

Toyota Mirai

Toyota Mirai, внешне похожий на гибридный Приус, пожалуй, самый распространенный водородомобиль. Основной рынок сбыта — США. Но популярность модели среди водородомобилей объясняется дотациями со стороны государства. Покупатель Mirai получает от производителя 15 000 долларов на заправку водородом. Депозит действует в течение трех лет. Цена самой машины в Северной Америке стартует с 58 000 долларов.

Но при слабом покрытии водородными заправками и более дорогой стоимости водорода относительно бензина по истечении трех лет Mirai превращаются в неликвид на вторичном рынке. Продаются также в Европе, Японии и Канаде.

Кроме США и Японии Mirai продают еще и в Европе

При этом подержанный водородный автомобиль — не приговор. В отличие от электрокара, где с возрастом вырабатывается ресурс батареи, топливные элементы водородомобиля изнашиваются медленнее. Заявленный ресурс одной ячейки — 250 000 км. А если ячейка сломается, ее можно заменить локально. Конечно, если найти и купить…

Mirai иллюстрирует классическую компоновку водородомобилей. В топливном элементе происходит химическая реакция и вырабатывается электричество, которое передается на батарею, а оттуда поступает на электромотор, который вращает колеса. Батарея нужна, чтобы обеспечить ровную работу топливному элементу независимо от режима движения

Родство с Приусом у Мирая не только внешнее, но и платформенное. Однако если Prius последнего поколения — на модульной платформе TNGA, то Mirai сделан еще на основе Prius V прошлой генерации.

Honda Clarity

Силуэт водородомобиля от Honda также схож с Приусом. Разве что при взгляде на Clarity сбоку выделяются гигантские свесы. Во многом форма кузова объясняется желанием инженеров снизить коэффициент аэродинамического сопротивления.

При покупке в лизинг ежемесячный платеж за Хонду меньше, чем за Тойоту — 379 долларов, но депозит на заправку такой же — 15 000 долларов и действует те же три года. Но во время запуска модели на домашнем рынке в 2021 году ее могли купить только корпоративные клиенты и госструктуры.

Энерговооруженность Clarity составляет 174 л.с. и 300 Нм крутящего момента. Водород хранится в 141-литровом баке под давлением 690 атмосфер. По японскому тестовому циклу JC08 одной заправки хватит на 750 км пути. По оценкам американских сертификационных ведомств, этот показатель составит 482 км.

Опционально Honda Clarity можно превратить в генератор. По заявлениям производителя, водородомобиль может справиться с питанием целого дома в течение недели. Правда, насколько это работоспособная опция, на практике неизвестно. В 2021 году к водородному Clarity добавили гибридную и электрическую модификацию.

Hyundai Nexo

Водородный кроссовер Hyundai Nexo представили не на международном автосалоне, а на выставке потребительской электроники CES-2018 в Лас-Вегасе. И это не первый кроссовер корейцев на водородных топливных элементах. С 2013 года Hyundai мелкосерийно выпускали водородный Tucson FCEV, который предлагался в корпоративный лизинг.

В отличие от Тусана преемник сразу проектировался исключительно как водородный автомобиль. Компоновка Nexo традиционная: три водородных бака пристроили под полом в задней части кузова, электромотор разместили под капотом, а батарею — в багажнике.

Отдача электромотора — 120 кВт (163 л.с.), крутящий момент 394 Нм. С места до 60 миль (96 км/ч) Hyundai Nexo разгоняется за 9,5 секунды, запас хода — 595 км. Испытательная программа подтвердила легкий пуск Hyundai при температуре до -6 ºС.

По заявлению Hyundai, гарантированный ресурс водородной силовой установки у Nexo составляет десять лет или 160 000 километров. При этом в реальной эксплуатации ресурс будет еще выше — 240 000 километров, что сопоставимо с заявлениями Тойоты.

Mercedes-Benz GLC F-Cell

Первая водородная машина, которую при необходимости можно подзарядить от розетки. В условиях 2021 года, когда покрытие водородными заправками по-прежнему ничтожно небольшое, это очень важно.

Пользователь сможет выбирать между четырьмя режимами движения: Hybrid (оптимальное распределение между топливным элементом и аккумулятором), F-Cell (аккумулятор сохраняет заряд, работает водородная часть), Battery (используется только батарея) и Charge (ускоренный заряд аккумулятора на ходу).

В первых релизах немцы декларировали мощность в 197 л.с., но обновили цифру, повысив отдачу до 211 сил. И та, и другая величины вполне сравнимы со стандартными двигателями внутреннего сгорания GLC. Мощность силовой установки в электрорежиме не указывается, зато известно, что в этом случае GLC F-cell сможет проехать примерно 50 км. 4,4 кг водорода хватает на 430 км пробега. Привод — исключительно на заднюю ось.

Автомобиль не поступит в свободную продажу, а будет сдаваться в аренду компаниям и государственным службам.

BMW X5 i Hydrogen Next

Концепт, который немцы пообещали реализовать мелкосерийно к 2022 году, а еще через три года рассмотреть массовое производство. Как и в случае с Mercedes-Benz GLC F-cell, в основе проекта лежит обычная серийная платформа, а питание электромотора — от топливных элементов и батареи.

Электрическим силовым агрегатом и батареей с водородным X5 поделился другой, но уже электрический концепт BMW — iX3. Электрический привод определил и тип привода на колеса — задний. Мощность водородных ячеек — 125 кВт (170 л.с.).

Водородная система BMW разработана совместно с Toyota Motor. Два автопроизводителя сотрудничают по водородным проектам с 2013 года.

Альянсы по созданию водородомобилей

Из-за гигантских инвестиций в водородные проекты автопроизводители объединяют свои усилия по разработке топливных элементов и концепций водородных автомобилей. С 2013 года работы в этом направлении ведут BMW и Toyota. Тогда же договор о сотрудничестве заключили GM и Honda. В 2018-м Audi и концерн Hyundai Motor Group объявили о совместной работе над технологиями водородных топливных элементов. Партнерство предусматривает обмен лицензиями, а главное — снижение стоимости разработки и производства за счет эффекта масштаба. У всех производителей из этого списка есть свои водородные проекты. Даже у Audi с их концептом H-tron и A7 H-tron. Кстати, Audi — один из немногих брендов, кто решился сделать полноприводные машины на водороде.

Основные серийные и мелкосерийные производства автомобилей на водородном топливе (без учета концептов)

МодельГоды производстваКоличество, шт.
BMW 7-я серия2006–2008100
Toyota Mirai2015 — н. в.≈ 5000
Hyundai Tucson FCEV2013–201810 000
Hyundai Nexo2018 — н .в.до 1000
Mercedes-Benz GLC F-cell2017 — н. в.до 1000
В итоге

Работы по созданию автомобилей на альтернативном топливе в индустрии ведутся давно — еще с конца прошлого века. До сих пор у инженеров нет четкого понимания, каким в итоге получится автомобиль будущего и на каком источнике энергии он будет ездить. Японцы из Тойоты в большей степени делают ставку на водород, немцы из BMW считают, что к 2050 году никакая из технологий будущего не станет основной, а будет делить долю рынка между собой. Это ставит в тупик не только автопроизводителей, но и нефтегазозаправочные компании, заставляя и тех и других вкладывать деньги не во что-то одно, а во все сразу.

В то же время кроме усилий для успеха новой технологии не обойтись без заинтересованности конечных клиентов. А привлечь их внимание экологическими перспективами без экономической выгоды и комфортной эксплуатации вряд ли получится…

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением h3. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство h3 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

  • Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость h3 приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
  • При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
  • При больших нагрузках и высокой температуре h3 провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2021 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.

Будущее водородных двигателей

Применение h3 открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена h3, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

  • ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).

  • АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.

  • АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Разработкой экологически чистого силового агрегата занимаются многие компании. Вот автобренды, в конструкторском бюро которых стоят уже рабочие варианты, готовые выйти в серию:

Среди серийных авто, которые можно купить как в Америке, так и в Европе, относятся модели Mirai и Clarity компаний Toyota и Honda соответственно. У остальных компаний данная разработка пока либо находится в чертежном варианте, либо в качестве неработающего прототипа.


Toyota Mirai


Honda Clarity

Из истории водородной энергетики - Энергетика и промышленность России - № 15-16 (107-108) август 2008 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 15-16 (107-108) август 2008 года

Очевидно, что каждая составляющая топливно-энергетического комплекса имеет свою историю. Иногда эта история – например, использования угля – длится веками, иногда – например, атома – всего лишь десятилетиями. Почему‑то принято считать, что водородная энергетика появилась совсем недавно. Происходит это, конечно же, в силу того, что она до сих пор не нашла широкого применения, хотя над проблемой освоения одного из основных элементов таблицы Менделеева тысячи ученых работают очень давно.

Проблеме использования водорода как топлива более 150 лет. Еще в 1820 году В. Сесил в докладе Кембриджскому философскому обществу предложил использовать водород для привода в движение машин, а первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841 году.

Эффект обратной вспышки

В Германии, в Мюнхене, в 1852 году придворным часовщиком Христианом Тейтманом был построен двигатель, работавший (в течение нескольких лет) на смеси водорода с воздухом. В 1920‑х годах Г. Ф. Рикардо и А. Ф. Брустелл выполнили детальные исследования работы двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием на водородо-воздушных смесях. В этих работах, по‑видимому, впервые было обнаружено явление обратной вспышки, которым впоследствии занимались многие исследователи. В это же время началось и практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль.

В 1928 году был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.

Особое место в истории водородных двигателей занимают работы Рудольфа Эррена, выполненные в 1920‑30‑х годах. Он впервые применил внутреннее смесеобразование в двигателях на водороде. Водород подавался в цилиндр через его стенку, что снижало опасность возникновения обратной вспышки.

При этом у двигателя сохранялась система подачи основного топлива, и он мог работать на любом из топлив, а также на жидком топливе с добавлением водорода. Р. Эррен перевел на водород несколько типов двигателей, в том числе и дизельный, установленный на автобусе «Лэйлэнд». Успешная пробная эксплуатация этого автобуса происходила в пригороде Лондона. Р. Эрреном был разработан и испытан первый водородо-кислородный ДВС. На такте впуска в цилиндр подавалась смесь кислорода с водяным паром, на такте сжатия – водород.

Образующийся при сгорании водяной пар частично возвращался на такте впуска в двигатель и частично конденсировался. Двигатель мог работать без наружного выхлопа, то есть был пригоден для использования в подводных лодках. В это же время в Германии использовались автодрезины, работающие на водороде. Последний производился на заправочных станциях электролизом воды под давлением.

Школа Семенова

В период с 1920‑х до начала 1940‑х годов весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы
Н. Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США. Таким образом, к началу Второй мировой войны были заложены научные и технические основы использования водорода как топлива. Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной. Однако первый успешный опыт массового использования водорода как топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания был осуществлен во время Второй мировой войны в России.

В блокадном Ленинграде в 1941 году инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем многие автомобильные двигатели ГАЗ-АА, вращающие лебедки аэростатов заграждения, были переведены на питание водородо-воздушной смесью из аэростатов, потерявших плавучесть.

Содержание воздуха в них достигало 15‑20 процентов, и обратная вспышка могла привести к взрыву аэростата. Для предотвращения этого
Б. И. Шелищ применил водяной затвор, установленный перед двигателем, и ряд других мер защиты с использованием доступных средств. С 1942 года водород из потерявших плавучесть аэростатов стал использоваться и Московской службой ПВО. В годы войны более 400 автомобильных двигателей для привода лебедок аэростатов заграждения в России работали на водороде.

После нефтяного кризиса

После Второй мировой войны фундаментальные исследования процессов и разработки автомобильных двигателей на водородном топливе проводились во многих странах, в том числе в СССР (в НИИ энергетики Казахстана, Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР и некоторых других организациях), но активность исследований в этом направлении существенно снизилась.

Дешевая нефть и не осознанные еще экологические последствия бурного развития автотранспорта на углеводородных топливах не оставляли места для развития водородных технологий в этой отрасли.

Осознание необходимости их развития пришло в начале 1970‑х годов, одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах. К этому времени относится начало активной фазы НИОКР по созданию водородных транспортных средств и инфраструктуры их топливообеспечения.

К началу 1980‑х годов в США, Японии, Германии, СССР, Канаде и ряде других стран были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода на борту автомобиля: в виде гидридов интерметаллических соединений, в жидком и газообразном сжатом состоянии.

В начале 1970‑х годов в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородо-кислородным щелочным топливным элементом (ТЭ) мощностью 6 кВт. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента.

Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 1970‑х годов. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством
В. А. Легасова, Н. Д. Кузнецова, A. M. Фрумкина, Р. Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева,
В. П. Глушко, В. П. Бармина,
А. Н. Барабошкина, В. П. Белякова, А. Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки.

Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т. ч. автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и ГКНТ. Начиная с середины 1970‑х годов систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций.

Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.

«РАФы» на бензоводородных смесях

В результате обширных экспериментальных исследований специалистами ИПМаша АН УССР и НАМИ были детально изучены рабочие процессы в двигателях на водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Было показано, что главным фактором, вызывающим обратную вспышку, является контакт водородо-воздушной смеси с горячими остаточными газами в момент впуска, и разработаны пути подавления обратных вспышек.

Созданы были универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на водороде, бензоводородных смесях и бензине, и эффективные системы хранения водорода на борту на основе комбинации высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридов.

К началу 1980‑х годов в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

Опытная эксплуатация бензоводородных автомобилей «Волга», осуществлявшаяся в Харькове с 1980 года, показала перспективность перевода части городского автотранспорта на бензоводородные смеси с содержанием водорода около 5 процентов по весу. При этом резко снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход бензина уменьшается на 35‑40 процентов, а эксплуатационная экономичность повышается на 20‑25 процентов. В 1986 году Минавтопромом СССР было принято решение о выпуске и последующей эксплуатации в городах СССР опытной партии городских микроавтобусов РАФ (200 штук), работающих на бензоводородных смесях. Однако это решение из‑за начавшихся политических процессов не было выполнено.

Автомобили с топливными элементами

В 1970‑80‑е годы в НПО «Квант» был выполнен цикл работ по применению топливных элементов для городских электробусов на водородном топливе. Была решена задача создания щелочных ТЭ, работающих на водороде и воздухе. Найдено эффективное и изящное решение сложной проблемы создания активного воздушного электрода. Для этого был использован разработанный «Квантом» гидрофобизированный электрод с газозапорным слоем, активность которого в процессе работы поддерживается за счет избытка воздуха (с коэффициентом Кn ~ 2,5‑3). Одновременно был решен комплекс электротехнических проблем, связанных с созданием системы электродвижения.

В 1982 году НПО «Квант» и заводом РАФ был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи (5 кВт/ч), который был представлен на Москов-ской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специалисты НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского автобуса с энергоустановкой на основе водородо-воздушных щелочных топливных элементов.

Однако этот проект, по тем же причинам, что и выпуск малой серии бензоводородных микроавтобусов, не был реализован.

Системы хранения водорода на борту

Создание систем хранения водорода на борту транспортных средств имеет ключевое значение для развития водородных технологий на транспорте. В 1980‑х годах в нашей стране были разработаны опытные образцы таких систем (металлогидридных, газобаллонных, криогенных). Для автомобилей, работающих на бензоводородных смесях, приемлема разработанная в ИПМаше комбинированная система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70‑75 процентов) и Mg2Ni (25‑30 процентов). Такая система обеспечивает минимальные весовые характеристики аккумулятора водорода и полную десорбцию водорода за счет утилизации тепловых потерь двигателя с охлаждающей водой и выхлопными газами. Изготовленные и испытанные ИПМашем несколько опытных металлогидридных аккумуляторов для различных автомобилей («Волга» ГАЗ-24, «Жигули» ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 километров.

Металлогидридные системы хранения водорода вполне приемлемы для бензо-водородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, подводных лодок, но по весовым характеристикам не подходят для транспорта, работающего на чистом водороде. Для таких автомобилей наиболее эффективны легкие композитные супербаллоны с весовым содержанием водорода примерно 8‑10 процентов при давлениях 300‑500 атмосфер. Такие баллоны были разработаны в России для авиационной техники и вполне могут быть использованы в автотранспорте.

Исследовались также и возможности создания криогенных систем хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Экспериментальный автомобиль РАФ с криогенной системой хранения водорода испытан на полигоне НАМИ. По результатам этих работ в НПО «Криогенмаш» был разработан экспериментальный криогенный бак для хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Однако дальнейшего развития после 1985 года эти работы не получили.

Еще не все потеряно

Несмотря на значительное снижение научно-технического потенциала страны в области новых водородных технологий в 1990‑е годы, наиболее дальновидным руководителям и коллективам исследователей в тяжелейших условиях крайне скудного финансирования удалось сохранить и продолжить работы по ряду перспективных направлений. Сохранилась эта тематика, хотя и при минимальном финансировании, в федеральных целевых программах Минпромнауки и программах НИОКР Минатома и Росавиакосмоса. Главными задачами сегодняшних отечественных разработок в области водородной энергетики и технологии являются создание компактных и дешевых топливных элементов (сегодня их стоимость превышает 10 тысяч долларов США за кВт) с ресурсом более 10 тысяч часов, надежных и дешевых систем хранения водорода на борту автомобиля, обеспечивающих запас хода 400‑500 километров, бортовых конверторов углеводородных топлив, усовершенствованных элементов инфраструктуры, новых и усовершенствованных технологий производства водорода и его использования в энергетике (в том числе автономной и основанной на возобновляемых энергоресурсах), авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства, систем обеспечения безопасности.

В этих направлениях в последние годы получен ряд важных результатов. Созданы опытные образцы ТЭ с твердополимерным электролитом на базе отечественных мембран мощностью до 10 кВт, разрабатываются такие ТЭ мощностью до 200 кВт для автотранспорта, организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления с энергопотреблением 3,9‑4,2
кВт/ч/нм3 h3 производительностью до 10 нм3/ч, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, новая технология модификации полимерных мембран для выделения водорода из газовых смесей, обеспечивающая увеличение их селективности на несколько порядков, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др.), созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные устройства для использования водородных технологий в автономной и стационарной энергетике – водородо-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТАН, Центр Келдыша), энергоустановка на базе водородо-воздушного щелочного ТЭ мощностью около 6 кВт (ФГУП «НПП «Квант»», Independent Power Technology), разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 процентов (весовых) и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.), новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конверторов (Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН), выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных ДВС для работы на водороде и водородсодержащих топливах (НАМИ). В последнее время к разработкам отечественного водородного автомобиля подключились «АвтоВАЗ» и РКК «Энергия».

Этот далеко не полный перечень результатов последних лет показывает, что российская наука и техника даже в ее сегодняшнем состоянии пока еще способна решать сложные задачи создания новых водородных технологий для автотранспорта, авиации, ракетной техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства.

В заключение следует отметить, что история водородной энергетики пишется и сейчас. Как положительный момент стоит отметить факт, что к освоению водорода подключились в последнее время и предприниматели. Согласитесь, без поддержки финансово‑промышленных структур о каком бы то ни было внедрении инноваций говорить бессмысленно. Так, например, особое внимание к проблемам водорода уделяла компания «Норильский никель». И даже если ее интерес лежал в строго коммерческой области, даже если деятельность компании в этом направлении вызывала скепсис многих ученых и не очень ученых мужей – факт сам по себе отрадный. Потому что для всех очевидно: водород как энергоноситель рано или поздно пробьет себе дорогу в будущее.

90 000 автомобилей с водородным двигателем - как это работает?

Водород можно использовать в автомобилях двумя способами. Его можно использовать в качестве топлива в традиционном двигателе, который сжигается в камере, или его можно использовать в топливных элементах для выработки энергии для привода электродвигателя. Энергия связи водорода и кислорода в молекуле воды h3O ниже, чем суммарная энергия связи молекул водорода h3 и кислорода O2.

Следовательно, , когда водород и кислород связываются с образованием молекул воды, вырабатывается избыточная энергия. Его можно удалить из системы в виде тепла (которое преобразуется в механическую энергию в двигателе внутреннего сгорания) или в виде электрохимической энергии (в топливных элементах).

Расположение компонентов в автомобиле с водородными элементами

(фото: пресс-материалы / Honda)

Прерывание зажигания является серьезной проблемой при использовании водорода в поршневых двигателях. Причины тому, прежде всего, очень низкая энергия воспламенения водорода и широкий диапазон пределов воспламеняемости.Кроме того, при сгорании водорода в воздухе образуется небольшое количество оксидов азота. Примером такого решения является BMW Hydrogen Series 7. Еще одним недостатком в этом случае является использование жидкого водорода для хранения.

Это правда, что в жидком состоянии в 846 раз меньше, чем в газообразном состоянии при температуре 0 градусов Цельсия и давлении 1 атм. , но он потребляет много энергии, и поэтому его нужно охладить до температура -253 градуса по Цельсию.Так что машина не может долго стоять без запуска. Подсчитано, что примерно через 9–14 дней водород нагревается до такой степени, что превращается в газ и испаряется из резервуара.

В автомобилях, в которых используются топливные элементы, резервуары используются для хранения сжатого водорода. Их цилиндрическая форма напоминает те, которые используются для сжиженного нефтяного газа. Однако они конструктивно намного более продвинуты с точки зрения используемой технологии. Внутренний слой из алюминия или стали (прибл.20 процентов общая масса), а снаружи покрыта композитным материалом.

Благодаря этому они обладают высокой устойчивостью к механическим повреждениям и относительно небольшим весом. Например, Honda FCX Concept использует 171-литровый бак, в котором хранится газ под давлением 35 МПа. С полным баком машина способна проехать 569,7 км.

Схема работы автомобиля на топливных элементах относительно проста. На первом этапе водород из бака подается в ячейку, куда также подается воздух, чаще всего с помощью турбонагнетателя.Затем ток (постоянный ток) передается от элемента к тяговому преобразователю, где он преобразуется в переменный ток и передается на асинхронный двигатель. Завершающий этап - передача крутящего момента на колеса автомобиля.

Водородные баки на Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Самым важным элементом всей системы, конечно же, являются топливные элементы. Это электрохимические устройства, которые генерируют полезную энергию (электричество, тепло) в результате химической реакции между водородом и кислородом.Ячейка состоит из двух электродов: катода и анода. Они разделены электролитом или электролитической мембраной. Они пропускают поток катионов и блокируют поток электронов .

Попадая на анод, он распадается на протоны и электроны. Первые могут беспрепятственно проходить через электролит к катоду, на который подается воздух. С другой стороны, поток электронов на катод проходит через внешнюю цепь , вызывая генерацию электрического тока.Эта электрохимическая реакция водорода и кислорода дает электричество, воду и тепло.

  • Реакция на аноде: h3 => 2H + + 2e -
  • Реакция на катоде: ½ O2 + 2H + + 2e - => h3O
  • Его можно резюмировать следующим образом: h3 + ½ O2 => h3O, что сопровождается выделением тепла и электричества.

Есть много типов топливных элементов.Один из критериев по который можно разделить на температуру, поскольку некоторые из используемых веществ обладают очень хорошими электролитическими свойствами при высоких температурах. Мы различаем высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы .

Работа первого происходит при температуре около 600 градусов Цельсия. Они могут использовать водород низкой чистоты, а также некоторые углеводороды, такие как метан. Еще одно преимущество - их высокая эффективность. К сожалению, самым большим недостатком является высокая инерция по времени элемента , он не может быть запущен немедленно, поэтому они не используются в автомобильной промышленности.

Низкотемпературные элементы используются для питания автомобилей. Они работают при температурах ниже 250 градусов Цельсия, но, к сожалению, требуется чистый водород. Однако нет необходимости использовать термостойкие материалы, что означает безопасность и удобство использования в автомобилях.

Электродвигатели в Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Существует три основных типа низкотемпературных ячеек.Первый - это щелочные топливные элементы (AFC) , в которых электролитом является гидроксид калия. Диапазон рабочих температур от 65 до 220 градусов Цельсия, что способствует быстрому вводу в эксплуатацию. Они обладают высоким КПД, малым весом и малой грузоподъемностью. Также они отличаются относительно коротким сроком эксплуатации и большими проблемами с отводом воды, которые необходимо устранить перед повторным запуском.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) используют концентрированную фосфорную кислоту в качестве электролита. Диапазон рабочих температур от 150 до 205 градусов Цельсия. Они отличаются высокой толерантностью к углекислому газу, однако имеют ряд недостатков, таких как высокая коррозионная активность, попадание воды и разбавление электролита, большие габариты и масса.

Топливные элементы для Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

В концепте Honda FCX используются элементы с электролитической мембраной PEM (протонообменная мембрана). В стандартном элементе PEM электролит представляет собой полимерную мембрану, покрытую тефлоном. Рабочая температура составляет от 160 до 195 градусов Цельсия, но благодаря использованию Honda ароматических соединений удалось снизить температурный диапазон, и в модели FCX Concept он составляет от -20 до 95 градусов Цельсия.

Преимущества - это, конечно, быстрый запуск, отсутствие коррозии, вызванной электролитом, высокая эффективность, компактная конструкция и прочные материалы, использованные для изготовления диафрагмы. К сожалению, его производство очень дорогое, в том числев необходимостью использования платины.

Водородная система привода для Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Водородные топливные элементы, безусловно, станут преемником традиционного двигателя внутреннего сгорания. Электромобили - это только переходное поколение. Со временем это в конечном итоге снизит стоимость производства топливных элементов до такой степени, что автомобилей с водородным двигателем будут доступны для каждых автомобилей, а затем они быстро заменят традиционные двигатели внутреннего сгорания.Когда это случится? Надеюсь, не при моей жизни.

.90 000 водородных автомобилей - как они работают? Они делятся на две группы

Водородные двигатели приобретают все большую популярность. С одной стороны, они представляют собой гораздо более экологичную альтернативу сжиганию нефтепродуктов, а с другой стороны, они могут устранить многие недостатки электродвигателей - тяжелые батареи с неудобной утилизацией или длительным временем зарядки.

Однако стоит знать, что на дорогах можно встретить автомобили, использующие водород в качестве топлива двумя совершенно разными способами.Концепции столь же разнообразны, как буквально - двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Более того, именно об этих двух типах водородных двигателей мы и поговорим.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Двигатели внутреннего сгорания известны нам уже много десятилетий.От дизельных двигателей до двигателей с искровым зажиганием, работающих на бензине, СНГ или СПГ. Но что делать, если вместо бензина или газа в машине был установлен водородный бак? Несколько компаний по всему миру уже разработали первые бензиновые двигатели с газовым зажиганием, работающие на водороде. Это включает Двигатели Toyota, Deutz и Aquarius.

Как и в других двигателях на газовом топливе, будь то СНГ или КПГ, водород также должен находиться под высоким давлением в баке.Затем он впрыскивается в моторный отсек, где происходит взрыв, и в результате расширения поршень отталкивается назад, раскручивает коленчатый вал и производит вращательное движение, которое затем - вкратце - передается на колеса.

Фотография: Toyota Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Зачем в этом случае заменять бензин водородом? Как показали первые тесты Toyota, двигатель (в данном случае 1,6-литровый трехцилиндровый агрегат) работает тише и меньше вибрирует в результате сгорания водорода.Воздействие на окружающую среду также является огромным преимуществом. Как и в случае с природным газом (КПГ), известный, например, Наши кухонные плиты не выделяют никаких ядовитых или загрязняющих веществ, включая углекислый газ, в результате сгорания водорода. Теоретически единственный результат горения водорода с кислородом - это… вода. Это гораздо более чистое химическое соединение, которое через несколько лет может вылететь из выхлопных труб многих автомобилей по всему миру.

Водородный электродвигатель

Электромобили известны человечеству даже дольше, чем их аналоги с двигателями внутреннего сгорания.Это тоже тип транспортного средства, который называют «зеленым», но у многих людей такая экологичность вызывает много сомнений. В первую очередь из-за аккумуляторов, которые кажутся незаменимым элементом электромобилей.

Фото: ПГНиГ

Производство аккумуляторов недешево и - с утилизацией - также оставляет свой углеродный мир.Аккумуляторы, как уже упоминалось ранее, также являются ахиллесовой пятой электриков, поэтому многие люди еще не решились на такое решение. Батареи тяжелые, представляют большую опасность при возгорании автомобиля, а их зарядка может занять несколько часов. Если бы только можно было устранить их из электромобиля ...

Теперь это возможно.И как минимум несколькими способами. Они менее эффективны, например, от солнечных батарей на крыше автомобиля. Из-за их низкой эффективности он не используется в коммерческих целях, а только как часть научных проектов сверхлегких транспортных средств. Второе, гораздо более эффективное и уже широко используемое решение - это производство электроэнергии из топливных элементов - мы не храним энергию, приводящую в движение электродвигатель, в батареях, но мы производим ее на постоянной основе из топлива, которое у нас есть в бак.И водород отлично подходит в этой роли. Как это работает?

Фотография: Toyota

Схема работы топливных элементов была разработана еще в 1838 году.немецко-швейцарского химика Кристиана Фридриха Шёнбейна. Ячейка состоит из двух электродов - катода и анода, разделенных электролитом или электролитической мембраной. Обычно электроды выполнены в виде науглероженной бумаги с платиновым покрытием в качестве катализатора реакции.

Когда водород подается в элемент, он окисляется и, следовательно, отдает электроны, которые, в свою очередь, образуют катионы водорода.На катоде кислород реагирует с электронами, восстанавливаясь до анионов кислорода. Мембрана внутри позволяет протонам течь от анода к катоду, блокируя при этом другие ионы, включая образующиеся анионы кислорода. Достигнув катода, катионы водорода реагируют с этими оксидными анионами с образованием воды, и электроны с анода достигают катода через электрическую цепь, производя энергию. Короче говоря, клетка расщепляет водород на катионы и анионы. Первые свободно проходят по ссылкам, а вторые должны ориентироваться.В этом случае он проходит по цепи, в которой генерируется напряжение.

Фотография: Toyota

Однако до 1960-х годов водородные элементы не использовались широко.В 1980-х они стали частью космических кораблей НАСА, включая Gemini 5 и программу Apollo. Они не только производили электричество в космосе, но и использовали побочный эффект - питьевую воду, полученную в процессе выработки электричества.

Достоинства такого решения как минимум не меньше, чем у аккумуляторных электромобилей, а также все связано с отсутствием аккумуляторов.К тому же бак с водородом очень легкий. Более 120 литров сжатого водорода могут весить (в зависимости от давления) всего около 5 кг.

Фотография: Toyota

К сожалению, есть и минусы.Самая большая - помимо доступности и цены на водород - это рабочая температура. И хотя сейчас используются низкотемпературные ячейки, работающие в диапазоне от нескольких десятков до 250 градусов по Цельсию, необходимо «прогреть» двигатель перед его запуском. Это означает, что перед запуском необходимо подождать от нескольких до нескольких секунд, в зависимости от поколения и модели двигателя с водородной ячейкой. К счастью, все новые и новые модели снижают эти требования, поэтому есть много признаков того, что вскоре двигатели с водородными элементами начнут запускаться «на месте».

Будущее за водородом?

Самой большой проблемой, по крайней мере, в Польше, остается низкая популярность водорода.Его проще всего купить в Германии, где мы будем платить около 40 злотых за килограмм. В случае Toyota Mirai, одной из немногих потребительских моделей с водородными элементами, 1 кг водорода достаточно, чтобы проехать около 100 км. Так что цена сопоставима с бензиновым автомобилем, сжигающим около 7 литров на 100 км. Баки в Mirai вмещают чуть более 5 кг водорода, поэтому они позволят проехать около 500 км на одной заправке.

Есть ли вообще в Польше водородные заправки? Пока их 11 - в Варшаве, Познани, Ломже, Гданьске, Гдыне, Конине и Ястшембе-Здруй, но большинство из них обслуживают только автобусы общественного транспорта, которые в водородных версиях были известны с улиц польских городов за несколько лет.Первые «гражданские» станции находятся в Гданьске и Варшаве.

Фото: Paceman / Shutterstock Водородный автобус

Независимо от того, говорим ли мы об электрических автомобилях или автомобилях внутреннего сгорания, водород кажется решением на будущее.Он решает одновременно две самые насущные проблемы - экологию, которой не хватает в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, и удобство, на которое можно пожаловаться при эксплуатации электромобилей.

Тем не менее, вы должны иметь в виду, что водород также должен производиться, что небезразлично для окружающей среды, и цена все еще не очень обнадеживающая, но есть много признаков того, что следующие несколько лет могут сильно измениться в этом вопросе. .

.90,000 Водородный автомобиль - как это работает

Сегодня мы представляем самую важную информацию по этой теме. А в сентябре вы сможете увидеть Mirai собственными глазами в избранных автосалонах Toyota в Германии, Великобритании и Дании.

Если вы спросите инженеров-автомобилестроителей, какой тип двигателя будет использоваться в автомобилях будущего, все они без колебаний ответят: электрический.По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, он имеет множество преимуществ: очень высокий крутящий момент, возможность работы в чрезвычайно широком диапазоне оборотов, простота и долговечность благодаря минимальному количеству движущихся частей, легкость и точность управления параметрами, малые габариты и вес. , наконец, КПД достигает 98% (для типичных двигателей внутреннего сгорания он составляет всего около 33%).

Так почему же электромобили до сих пор не доминировали на рынке, хотя электродвигатели широко используются во всех технических областях, от домашних хозяйств до железных дорог, метро и трамваев? Обеспечение автономного источника электроэнергии, способного преодолевать большие расстояния и быстро перезаряжаться, когда он истощается, остается проблемой.Несмотря на огромный прогресс в технологии аккумуляторов, они по-прежнему большие и тяжелые, и, хотя их можно заряжать от обычной электрической розетки, восполнение запаса энергии означает как минимум несколько десятков минут перерыва в вашем путешествии. И это только в том случае, если для этой цели использовать нагнетатели, которые нельзя вставить в обычную розетку и которые быстро портят аккумулятор. При обычной общедоступной технологии зарядки на это уходит несколько часов. Насколько удобнее доехать до заправки за несколько минут!

Электричество из водорода

Решением этой проблемы может стать использование топливных элементов.Эти устройства вырабатывают электричество в результате реакции топлива с кислородом в воздухе без поршней, цилиндров и других движущихся частей. Чистый водород - наиболее эффективное топливо для топливных элементов. Звучит космически - водород горит в ракетных двигателях при температуре почти 3000 градусов по Цельсию? Да, тот же водород, но в топливном элементе окисление происходит на холоде из-за наличия катализатора. Между прочим, водородные топливные элементы были разработаны именно для выработки электроэнергии в космических кораблях.

Казалось бы, такое продуманное решение еще долго останется в сфере изучения техники, которой можно только восхищаться на автомобильных выставках.Между тем, серийный легковой автомобиль на топливных элементах уже доступен на рынке - это Toyota Mirai.

Электрическое будущее

Серийная модель Mirai (по-японски «будущее») была разработана как развитие концепции Toyota FCV (автомобиль на топливных элементах), представленной в 2013 году.Хотя внешне он очень похож на него, он содержит множество улучшений, которые значительно улучшили его производительность. В конструкции привода также используется ряд крупногабаритных компонентов, заимствованных из Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD), что, с одной стороны, положительно сказывается на надежности, а с другой - позволяет значительно снизить затраты за счет экономии. масштаба.

Mirai - четырехдверный седан, сопоставимый по размерам с Toyota Camry.Привод на переднюю ось обеспечивается испытанным на агрегатах HSD электродвигателем мощностью 113 кВт (154 л.с.), создающим крутящий момент 335 Н • м. Электронный блок управления двигателем (PCU) (Power Control Unit) также был взят из блоков HSD. При низком потреблении электроэнергии электричество подается от никель-металлогидридной батареи мощностью 1,6 кВтч, которая также сохраняет энергию, рекуперированную во время рекуперативного торможения (электродвигатель затем работает как генератор).На более высоких скоростях электричество вырабатывается набором топливных элементов.

Зрелая технология

Комплект топливных элементов с полимерным электролитом Mirai представляет собой полностью новую конструкцию с мощностью 114 кВт (155 л.с.).Решения, использованные в нем, заслуживают отдельной статьи; Об их ценности свидетельствует тот факт, что конструкторам Toyota удалось добиться рекордной удельной мощности 3,1 кВт / дм³ - вдвое выше, чем у студийной модели FCHV-adv. Для повышения эффективности системы между узлом топливного элемента и контроллером мощности был установлен электронный преобразователь, увеличивающий напряжение до 650 вольт. Его использование позволило уменьшить количество топливных элементов и вес всей системы.Когда потребность в мощности максимальна, то есть при быстром ускорении, топливным элементам помогает аккумулятор.

Комплект топливных элементов весит всего 56 кг и имеет объем всего 37 дм3, поэтому его можно разместить под полом автомобиля, чтобы не ограничивать полезное пространство кузова.Также под полом расположены два бака с водородом (передний на 60 литров и задний на 62,4 литра), которые сами по себе являются настоящим чудом техники. Изготовленные из многослойного композита, они выдерживают огромное давление в 70 МПа и в то же время очень легкие, а рекордный коэффициент емкости означает, что до 5,7% массы полных баков составляет водородное топливо. Внутренняя нейлоновая подкладка обеспечивает необходимую герметичность, следующий слой композита с армированием углеродным волокном обеспечивает сопротивление давлению, и, наконец, внешний слой композита с армированием стекловолокном гарантирует устойчивость к механическим повреждениям.Использование стекловолокна позволило снизить расход очень дорогих углеродных волокон и тем самым удешевить резервуары при сохранении требуемых параметров.

Чисто, тихо, быстро

Следствием использования водородного топлива является абсолютная чистота выхлопных газов - это просто водяной пар; Это уже не может быть чище.Водород может быть полностью возобновляемым топливом - скептики скажут, что для его получения, например, путем электролиза воды, необходима электроэнергия, вырабатываемая электростанциями, но она может поступать от гидро-, ветряных или солнечных электростанций. Водород также можно производить несколькими другими способами, что решает проблему диверсификации источников энергии. Другими экологическими аспектами Mirai являются снижение воздействия на окружающую среду в результате эксплуатации - моторное масло и клиновые ремни не нуждаются в замене, рекуперативное торможение снижает износ тормозных накладок.Еще одним ценным преимуществом является идеальная тишина, обеспечиваемая электрическим приводом, и бесшумная работа топливных элементов.

Электропривод может разогнать Mirai до максимальной скорости 178 км / ч, а содержащийся в баках водород позволяет проехать 480 км на одной заправке (до 700 км при заправках на станциях нового поколения).Заправка длится всего три минуты - сравнимо с заправкой на заправке.

Toyota Mirai теперь доступна в Японии, и автомобиль появится на американском рынке в любой момент.Ожидается, что продажи в Европе начнутся в сентябре, сначала в Великобритании, Дании и Германии (ориентировочная чистая цена на рынке Германии составляет около 60 000 евро), а затем и в других странах по мере развития инфраструктуры заправки водородом.

.

Автомобиль с водородным двигателем - как он работает и имеет ли смысл?

Является ли водород двигателем будущего автомобильной промышленности?

Некоторые говорят, что электрические, другие гибридные, а третьи водородные приводы - это будущее автомобильной промышленности. В то время как автомобили, использующие преимущества первых двух изобретений, быстро набирают популярность, первый серийный автомобиль, работающий на водородных топливных элементах, был доступен на рынке только в течение нескольких месяцев (и только на японском языке, по крайней мере, еще неделю или две).Речь идет о модели Toyota Mirai. Однако базовые знания о работе такой силовой установки широко не известны. Вероятно, пора это изменить.

Электродвигатели имеют много преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания: очень высокий крутящий момент, возможность работы в чрезвычайно широком диапазоне оборотов, простота и долговечность благодаря минимальному количеству движущихся частей, легкость и точность управления параметрами, малые габариты и вес. , и, наконец, КПД достигает 98%.(для типичных двигателей внутреннего сгорания это всего около 33 процентов). Однако эти устройства не стали доминировать на рынке по двум причинам. Во-первых, цена. Второй, гораздо более серьезный - отсутствие автономного источника энергии. Огромные, очень емкие аккумуляторы, которые можно заряжать от розетки, позволяют проехать несколько сотен километров, но тогда на повторную подзарядку придется потратить как минимум несколько десятков минут.

Это проблема, для решения которой созданы водородные топливные элементы.Они генерируют электричество - это прямой результат реакции топлива с кислородом воздуха без поршней, цилиндров и других движущихся частей. В ракетных двигателях водород сжигается при температуре почти 3000 градусов по Цельсию. В автомобиле это не сработает, поэтому окисление в топливных элементах происходит на морозе с использованием каталитического нейтрализатора.

В Toyota Mirai используется комплект топливных элементов с полимерным электролитом - совершенно новая конструкция мощностью 114 кВт (155 лошадиных сил).Он весит всего 56 кг и имеет объем 37 дм3, поэтому размещался под полом машины. Также были установлены два водородных бака (передний, объемом 60 литров, и задний - 62,4 литра). Они изготовлены из многослойного композита и выдерживают давление до 70 МПа. Внутренняя нейлоновая подкладка обеспечивает необходимую герметичность, следующий слой композита с армированием углеродным волокном обеспечивает сопротивление давлению, и, наконец, внешний слой композита с армированием стекловолокном гарантирует устойчивость к механическим повреждениям.

Конструкторам Toyota удалось добиться удельной мощности 3,1 кВт / дм3. Для повышения производительности системы между узлом топливного элемента и контроллером мощности был установлен электронный преобразователь, увеличивающий напряжение до 650 вольт. Его использование позволило уменьшить количество топливных элементов и вес всей системы. В моменты наибольшей потребности в мощности, то есть во время быстрого разгона (а Mirai может разгоняться до 178 км / ч), топливные элементы поддерживаются аккумулятором.

Водородное топливо также означает чистый выхлопной газ - из трубы выходит только водяной пар. Более того, водород может быть здесь полностью возобновляемым топливом. Экологи поддерживают этот тип агрегатов по ряду других причин - нет необходимости менять моторное масло и клиновые ремни или снижать износ тормозных накладок за счет рекуперативного торможения. Еще один плюс - тихая работа (как у типичных электромобилей).Все это дополняется возможностью проехать 480 км на одной заправке, которая также длится всего 3 минуты.

Источник: Toyota, Complex, инф. Собственный

.

автомобилей с водородным двигателем - стоимость, выбросы и информация о рынке

Современные вызовы автомобильного рынка требуют использования зеленой энергии. Зависит ли энергосистема европейских стран от успеха водородных двигателей? Водород в качестве топлива первоначально использовался для придания силовой установки космическим ракетам. Это приложение является прекрасным примером его потенциала в качестве источника энергии. Сегодня этот тип технологии был значительно модифицирован и уменьшен, благодаря чему мы также можем найти этот тип ячеек в небольших транспортных средствах, которые мы используем каждый день.Речь идет об автобусах, легковых автомобилях и даже о велосипедах или кораблях разных размеров.

Автомобили, работающие на водороде - принцип работы двигателя на водородном топливе

Это сырье кажется экологически чистой альтернативой бензину - при его эксплуатации мы не имеем дело с выбросом вредных химических соединений. Однако мы также должны обратить внимание на производственный аспект. Говоря о самом распространенном элементе во Вселенной, мы не должны забывать, что на Земле он чаще всего встречается в форме, требующей дополнительной обработки перед использованием в качестве топлива.Это дополнительный ввод энергии, который является возвращением к основной проблеме: поскольку альтернатива должна использовать энергию, чтобы зарекомендовать себя в качестве замены используемых в настоящее время источников, она должна демонстрировать лучшие тяговые свойства двигателей.

Во-первых, стоит вкратце описать, как работает водородный двигатель. В системах этого типа в качестве сырья для выработки электроэнергии используется водород. Принцип обратного электролиза производит воду и энергию, которые можно накапливать и использовать для вращения колес транспортного средства.

Автомобильный рынок - водородные и электрические автомобили

Создание сети электроснабжения, способной удовлетворить потребности модернизированного парка электромобилей по всей Европе, является очень сложной задачей. Спрос на электроэнергию в транспортном секторе может быть настолько большим, что невозможно быстро построить необходимую инфраструктуру. Постепенно он появится в развитых странах - но на этот процесс уйдет много лет. Поэтому стоит иметь в своем распоряжении альтернативу, которая не только обладает большим потенциалом с точки зрения эффективности вождения, но также использует экологически чистый источник энергии.

В настоящее время на Старом континенте имеется небольшое количество автомобилей с водородным двигателем, но, судя по увеличению доступности водородных заправочных станций, мы можем наблюдать рост интереса к таким решениям. Большинство этих типов транспортных средств доступны от производителей в Восточной Азии, где автомобили с водородным двигателем более популярны.

Смотрите также: Электромобили - будущее автопрома?

Будут ли автомобили с водородным двигателем доминировать на рынке?

Автомобили с водородным двигателем имеют шанс на европейский, американский и азиатский рынки - однако многое зависит от объемов производства и подхода к их эксплуатации.Самая большая проблема, по-видимому, заключается в стоимости энергии, связанной с производством этого сырья. Еще один важный вопрос - необходимость транспорта.

Сценарий, в котором производство водородного топлива происходит в месте с эффективной инфраструктурой электроснабжения, постоянным доступом к сырью и относительно низким спросом на электроэнергию, кажется оправданным. Предположительно, после вычета затрат на транспортировку и переработку водорода, сырье могло бы функционировать как постоянный заменитель сырой нефти и электроэнергии.Однако на данный момент небольшая доля автомобилей, использующих этот тип привода, затрудняет прогнозирование: в серийное производство доступно всего четыре модели этого типа.

Смотрите также: Электромобили - будущее автопрома?

Водородные автомобили - цена за заправку и сами автомобили

В настоящее время цены на заправку водородных автомобилей достаточно высоки из-за небольшого количества водородных заправок. В случае легкового автомобиля среднего размера мы можем ожидать, что расходы на 100 километров маршрута составят около 10 евро.Это намного больше по сравнению с электрическим током, хотя сопоставимые значения применимы к вождению автомобиля с бензиновым двигателем. Развитие водородных сетей и появление новых водородных заправок дает шанс на значительное падение цен, но в настоящее время спрос на этот тип решений слишком низкий.

Удобство использования водородных автомобилей - намного более быстрая зарядка

Заправка автомобиля водородом - это относительно быстрая процедура, особенно в сочетании с остановкой на несколько минут при зарядке электромобиля.Нельзя игнорировать систематическое сокращение времени зарядки аккумуляторных элементов. События в обеих областях предполагают, что мы, вероятно, достигнем точки, когда разница во времени между водородом и электричеством будет незначительной и не будет иметь значения для конечного пользователя. Если мы освоим возможность переработки водорода, который производит меньше CO2 и потребляет мало электроэнергии, такое топливо может оказаться эффективной и привлекательной альтернативой.

Но не отворачивайтесь от инноваций - это еще не конец водорода

Автомобили, работающие на водороде, в настоящее время являются рыночной нишей, но они могут взорваться в любой момент - как только будут разработаны более эффективные методы борьбы с этим элементом.Если опасения крупных автомобильных концернов и компаний электроэнергетической инфраструктуры подтвердятся, нам, возможно, придется использовать водород в качестве альтернативного топлива электричеству. Однако, независимо от лица рынка электромобилей, стоит сосредоточиться на современных решениях. В современных батареях используются элементы из вспененного EPP, которые позволяют создать эффективную и легкую теплоизоляцию. Они обеспечивают дополнительную защиту от ударов и повреждений.Одной из компаний, предлагающих это чрезвычайно эффективное решение, является Knauf Automotive, которая также предлагает другие высококлассные инновации, поддерживающие электромобильность в транспортных средствах будущего.

Ознакомьтесь с нашим предложением: Системы изоляции автомобильных аккумуляторов и решения для защиты от ударов

Вам нужны более специализированные знания?

.

Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания. Он лучше бензинового?

Toyota Mirai второго поколения - почти 5-метровый лимузин в стиле купе.Благодаря использованию топливных элементов , - это завод электроники , работающий на прокатке. Электроэнергия, питающая электродвигатель автомобиля, вырабатывается в результате реакции водорода с кислородом. И вот инженеры японской марки решили спасти двигатели внутреннего сгорания ...

Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Новая идея специалистов Toyota - это , сжигание водорода двигателем с искровым зажиганием - , для нужд этого решения была модифицирована система питания и впрыска (по сравнению с теми, что используются в бензиновых агрегатах).Топливо хранится в сжатом виде. По мнению японцев, у нового 1,6-литрового турбомотора нет ничего, кроме плюсов. Он не отравляет окружающую среду углекислым газом - и в незначительных количествах при сжигании моторного масла (что также характерно для бензиновых двигателей). Он работает тише, без вибраций, а также отлично реагирует на нажатие педали газа. Теперь новый водородный двигатель 1.6 , установленный под капотом Corolla Sport , будет подвергнут испытанию в гонках серии Super Taikyu.Японцы не исключают, что если двигатель хорошо проработает в таких сложных условиях, он может пойти в серийное производство и на обычные автомобили.

Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания вместо бензина / Тойота

Toyota Mirai.Топливные элементы. Электричество

Новый Toyota Mirai Только название относится к первому воплощению «водородного автомобиля».Автомобиль построен на заднеприводной платформе GA-L (из семейства TNGA), которую японский концерн использует в своих моделях Lexus. Использование этой архитектуры - помимо большего простора в салоне по сравнению с его предшественником - позволило освободить место для третьего бака с водородом.

Теперь танки расположены буквой Т.Самый длинный монтируется под полом (посередине платформы), два меньших - поперек задних сидений и багажного отделения. Всего они могут содержать 5,6 кг водорода (142,2 л), что на один килограмм больше, чем в первой модели. Сами водородные баллоны имеют более прочную многослойную структуру - они очень легкие и устойчивы к перескакиванию. Водород составляет 6 процентов. общий вес топлива и баков. Архитектура TNGA также позволила переместить узел топливных элементов из его текущего положения под полом кабины в переднюю часть автомобиля под капотом.Над задней осью спрятаны более компактная тяговая батарея и электродвигатель. Преимущества этой конфигурации - заниженный центр тяжести и идеальное распределение веса (Mirai II весит около 1,9 т) между передней и задней частью в соотношении 50:50 - оба этих фактора имеют первостепенное значение для характеристик управляемости. По мнению японцев, газообразный водород Mirai обеспечивает стабильность на уровне двигателя внутреннего сгорания с передним расположением двигателя.

Toyota Mirai II.Благодаря использованию топливных элементов автомобиль представляет собой движущуюся силовую установку. Он не только не выделяет выхлопных газов - из выхлопных газов выходит водяной пар, но и очищает воздух во время вождения. / Dziennik.pl

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы содержат полимер в твердом состоянии, как и в предыдущей модели.Однако набор меньше и использует меньше ячеек (330 вместо 370). Тем не менее максимальная мощность подскочила со 114 кВт до 128 кВт. Такой трюк стал возможен благодаря более высокой удельной мощности, которая увеличилась с 3,1 кВт / л до 5,4 кВт / л (за исключением оконечных ячеек). Инженеры Toyota также улучшили устойчивость привода к низким температурам воздуха. Теперь автомобиль должен быстрее выходить на полную мощность даже при -30 градусов по Цельсию. Представление? Синхронный двигатель с постоянными магнитами выдает 182 л.с. и 300 Нм. Такой потенциал позволяет машине разогнаться с места до 100 км / ч за 9,2 секунды.Максимальная скорость была ограничена 175 км / ч.

Mirai II получил высоковольтную литий-ионную батарею для замены никель-металлогидридной батареи.Новый аккумулятор меньше по размеру, энергоэффективнее и эффективнее. Он содержит 84 элемента, а его номинальное напряжение увеличилось до 310,8 В с 244,8 В, а емкость составляет 4 Ач (емкость аккумулятора в Mirai первого поколения составляет 6,5 Ач). Вес аккумулятора уменьшен с 46,9 до 44,6 кг. Мощность увеличена с 25,5 кВт x 10 секунд до 31,5 кВт x 10 секунд. Меньшие размеры батареи позволяют перемещать ее за спинку заднего сиденья, где она не ограничивает пространство в салоне или багажнике. Все изменения и новые решения направлены на увеличение дальности действия Mirai второго поколения примерно на 30 процентов.по сравнению со старым воплощением проехавшим около 500 км. По сообщению Toyota, новый водородный лимузин преодолеет около 650 км после одного посещения водородной заправочной станции . На 100 км необходимо около 0,84 кг водорода (средний расход WLTP).

Электромобиль, который живет за счет топливных элементов вместо большой батареи / Тойота

Нет заправочной станции для водорода?

Напоминаем, что строительство заправочной станции для водорода в Польше осуществляет компания Зигмунта Солоржа.Вначале бизнесмен планирует построить две водородные заправки, первая из которых заработает к середине года в районе Конина, где также планирует принадлежащий ему энергетический концерн ZE PAK (Zespół Elektrowni Pątnów Adamów Konin). создать мощную фотоэлектрическую электростанцию. Вторая водородная станция заработает в Варшаве с сентября 2021 года.

Mirai II поколения не только не выделяет выхлопных газов - из выхлопных газов выходит водяной пар - но и очищает воздух во время движения.Новая модель оснащена каталитическим фильтром, встроенным в воздухозаборники, поступающего в топливные элементы. Фильтр из нетканого материала улавливает микроскопические частицы загрязняющих веществ, включая диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы PM 2,5. Этот раствор удаляет от 90 до 100 процентов. От 0 до 2,5 микрон в диаметре от воздуха, проходящего через систему топливных элементов. Рётаро Симидзу, главный инженер Mirai нового поколения, показал копию, которая уже прошла 728000 пробок.лира воздуха. Как он пояснил, это эквивалент воздуха, которым в течение года могут дышать 40 человек.

Экологичный лимузин в стиле купе скрывает топливные элементы.А двигатель работает от электричества. Одно посещение водородной заправки позволяет проехать около 650 км. / Dziennik.pl Toyota Mirai

в Польше предлагается в двух комплектациях.Вариант Prestige стандартно поставляется с системой очистки воздуха, двухзонным автоматическим кондиционером, интеллектуальным ключом, двухдиапазонными фарами, светодиодными дневными ходовыми огнями и 19-дюймовыми легкосплавными дисками с шинами 235/55 R19.

В салоне

передние сиденья с подогревом, тканевая обивка, а также мультимедийная система с цветным сенсорным экраном диагональю 12,3 дюйма, аудиосистема Premium Audio JBL с 14 динамиками, Android Auto и интерфейс Apple CarPlay.Сенсорный экран также используется для управления спутниковой навигацией на польском языке с обновлением карты за 3 года.

Toyota Mirai в версии Prestige стоит 299 900 злотых.

Toyota Mirai Представительский

Toyota Mirai Executive - этот вариант включает в себя панорамный монитор с системой камеры 360 градусов (Panoramic View Monitor), зарядное устройство для беспроводного телефона в центральной консоли, обивку из синтетической кожи, подогрев рулевого колеса и крайних сидений во втором ряду, а также система контроля слепых зон в зеркалах (BSM), система обнаружения препятствий (ICS), система предотвращения столкновений, система предупреждения о перекрестном движении сзади (RCTA) и адаптивная система дальнего света (AHS).

Toyota Mirai Executive стоит от 314 900 злотых.

Версия Executive может быть расширена пакетом VIP Black или VIP White (35 тыс.злотый). Оба комплекта включают: 20-дюймовые легкосплавные диски с шинами 245/45 R20, трехзонный автоматический кондиционер, обивку полуанилиновой натуральной кожей, вентиляцию передних сидений и память для водительского сиденья и рулевой колонки. Кроме того, имеется проекционный дисплей HUD на лобовом стекле, цифровое зеркало заднего вида с цветным дисплеем, панорамный люк с электрическими жалюзи и интеллектуальная система автоматической парковки S-IPA. Задние пассажиры могут использовать центральную консоль и мультимедийную панель управления в подлокотнике второго ряда сидений.

Версия VIP White отличается от версии VIP Black цветом салона.Сиденья обиты белой полуанилиновой кожей. На приборной панели появляется белая отделка со вставками медного цвета. Передние и задние двери также имеют медную отделку, а подлокотники в дверях и между сиденьями - из бронзы.

В Toyota Mirai с топливными элементами требуется менее килограмма водорода, чтобы проехать 100 км. / Тойота

У Mazda другая идея

Стоит напомнить, что в прошлом, напримерв Mazda подошла к водороду совершенно иначе, чем к конкурентам: топливные элементы используются для выработки электроэнергии для привода двигателей.

Инженеры

Hiroshima использовали двигатель Ванкеля для создания RX-8 Hydrogen RE, который мог работать как на водороде, так и на бензине.Система позволяла водителю переключаться с водорода на газ, если поблизости не было водородных заправок. Также была создана водородная Mazda Premacy Hydrogen RE - минивэн, оснащенный электрическим и роторным двигателем на двух видах топлива. Сегодня все больше и больше говорят о возвращении двигателя Ванкеля. Недавно компания разработала прототип Mazda 2 EV с небольшим однопоршневым агрегатом, чтобы расширить диапазон электрического привода. Похожее решение можно использовать в одном из аккумуляторных вариантов Mazda MX-30.Двигатель также работает на альтернативном топливе, которым, несомненно, является водород.

Mazda RX-8 Hydrogen RE и Premacy Hydrogen RE Hybrid / Mazda .

водородных автомобилей: как они работают и какой был первый водородный автомобиль?

По мнению многих экспертов, водородные автомобили - будущее автомобильной промышленности. Использование альтернативного топлива имеет множество преимуществ, и экология - это только начало длинного списка преимуществ. Как водородный привод работает в автомобилях? Сколько стоит купить водородный автомобиль?

Водородные автомобили: как они работают и какой был первый водородный автомобиль? (ФотоGetty Images)

Водородные автомобили - ответ на истощающиеся запасы нефти. Несомненно, они рано или поздно иссякнут. У нас все еще есть обычный электропривод, в котором аккумуляторные батареи отвечают за питание приводного устройства, но, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в этой области за долгие годы, длительные поездки «электриком» по-прежнему довольно хлопотны.Водородный источник питания устраняет неудобства, связанные с временем зарядки элементов, так почему же эта технология до сих пор не получила широкого распространения?

Водородные автомобили: как они работают?

Автомобили, работающие на водороде, могут приводиться в движение двумя способами. Водород может гореть в отсеках обычного двигателя, как бензин и любое другое топливо, или генерировать электричество в топливных элементах. Это связано с его свойствами - энергия, возникающая в процессе связывания водорода с кислородом в молекуле воды, меньше полной энергии связи молекул h3 и O2.Отсюда следует, что в результате реакции связывания водорода с кислородом в молекуле воды образуется избыточная энергия , которая может рассеиваться в виде тепла, которое может быть преобразовано в механическую энергию или электрохимическую энергию.

Таким образом, использование водорода в поршневом двигателе возможно, но это создает проблему. Водород имеет низкую энергию воспламенения и широкий диапазон пределов воспламенения, что может вызвать преждевременное воспламенение. Еще одна проблема - хранение жидкого водорода.Этот вид топлива потребляет значительное количество энергии, поэтому примерно через десяток дней он меняет свое агрегатное состояние на летучее и покидает бак.

Водород, используемый для питания топливных элементов, хранится несколько иначе. Сжатый водород хранится в цилиндрических резервуарах. Для этого необходимо использовать исключительно прочные «цилиндры». По форме они похожи на резервуары для сжиженного нефтяного газа, но все сходство заканчивается цилиндрической формой.Внутренняя часть сделана из металла (стали или алюминия), а внешняя - из прочных композитных материалов. Благодаря этому они очень устойчивы к повреждениям.

Энергия топливных элементов может показаться космической технологией. Что ж, это немного верно, потому что водород используется не только для сгорания в ракетных двигателях. Топливные элементы поставляют электричество космическим шаттлам. Однако сам принцип их действия довольно прост. Водород, сброшенный из бака, поступает в ячейку, куда также подается воздух. Постоянный ток из ячейки поступает в тяговый преобразователь, где преобразуется в переменный ток. В таком виде он поступает на асинхронный двигатель, и создаваемый крутящий момент передается на колеса.

Сама ячейка состоит из катода и анода. Они разделены электролитической мембраной или электролитом. Такая конструкция позволяет течь катионам, но не электронам. Водород, который подается на анод, распадается на электроны и протоны.Последние попадают на катод, куда идет и воздух. С другой стороны, электроны направляются к катоду через внешнюю цепь. В результате реакции образуются электричество, вода и тепло.

Существует множество разновидностей топливных элементов, но низкотемпературные элементы используются в автомобилях, электролит которых приобретает свои свойства при относительно низкой температуре - менее 250 градусов Цельсия. Их преимущество - малая инерция по времени - элементы можно очень быстро ввести в эксплуатацию.Кроме того, они не требуют использования термостойких материалов и обеспечивают большую безопасность, чем высокотемпературные элементы. Однако эта технология имеет ряд недостатков, основной из которых - необходимость использования чистого водорода.

.

Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf