Двигатель водородный принцип работы: Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

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.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

Toyota делает ставку на автомобили с водородным двигателем – DW – 23.03.2019

Toyota Mirai — автомобиль с водородным двигателемФото: Toyota

Автомобили и транспорт

Елена Гункель

23.03.201923 марта 2019 г.

В отличие от японского конкурента, немецкие автоконцерны VW, BMW и Daimler планируют сконцентрироваться на выпуске электромобилей.

https://p.dw.com/p/3FZfM

Реклама

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:

Будущее мирового автопрома

To view this video please enable JavaScript, and consider upgrading to a web browser that supports HTML5 video

Написать в редакцию

Реклама

Пропустить раздел Еще по теме

Еще по теме

Показать еще

Пропустить раздел Близкие темы

Близкие темы

MiniDaimler AGГруппа компаний АО «БМВ»ToyotaBMW Group AGПропустить раздел Топ-тема

1 стр. из 3

Пропустить раздел Другие публикации DW

На главную страницу

Как работает водородный реактивный двигатель?

Автор
Линнея Альгрен

Опубликовано 22 февраля 2022 г.

В качестве партнеров Airbus и CFM на испытательном стенде производителя A380 мы изучаем, как работают водородные двигатели внутреннего сгорания.

Фото: Аэробус

Водород считается топливом будущего — и не только для авиации. Потенциально это может революционизировать то, как мы, как цивилизация, используем энергию, и избавить нас от зависимости от сильно загрязняющих окружающую среду ископаемых видов топлива.

На пути к будущему, управляемому h3, предстоит преодолеть еще много препятствий, в том числе хранение, транспортировка и необходимое гигантское увеличение производства зеленого водорода. Однако, когда дело доходит до сжигания, технология несколько опробована.

История сжигания водорода

Первый в мире двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1804 году франко-швейцарским изобретателем Исааком де Ривазом, использовал комбинацию водорода и кислорода. Токийский городской университет занимается разработкой водородных двигателей внутреннего сгорания с 1970, а есть автобусы, которые ходят по технике. Его даже уже использовали для питания самолетов.

В 1988 году Туполев Ту-155 поднялся в небо как первый в мире экспериментальный коммерческий самолет, работающий на жидком водороде. Он совершил около 100 испытательных полетов на водороде, а затем на сжиженном природном газе до распада СССР в 1991 году. Теперь производители самолетов и двигателей пытаются воспроизвести эту задачу.

Ту-155 работал на жидком водороде еще в 1988 году. Фото:
Юрген Шиффманн через Wikimedia Commons

Будьте в курсе: Подпишитесь на наши ежедневные и еженедельные дайджесты авиационных новостей.

Отличие от водородно-электрического

Водородный двигатель внутреннего сгорания отличается от водородного топливного элемента. Топливные элементы вырабатывают электричество из водорода, а затем используют это электричество в электродвигателе, подобно электромобилю. Между тем, при внутреннем сгорании водород используется так же, как бензин или топливо для реактивных двигателей. Жидкий или газообразный водород сжигается в газотурбинном двигателе для создания тяги.

Горение – это химический процесс, при котором энергия выделяется из смеси топлива и воздуха. Сторонники водорода говорят, что его широкий диапазон воспламеняемости и высокая температура самовоспламенения делают его особенно подходящим для горения. Первое означает, что его можно использовать при более низкой температуре, создавая меньше загрязняющих веществ, а второе означает меньшие потери энергии.

CFM поставит водородный двигатель для испытательного стенда A380

Во вторник Airbus объявила о подписании соглашения с CFM International, совместным предприятием GE и Safran Aircraft Engines с паритетным участием 50/50. Два партнера будут сотрудничать в демонстрационной программе водорода с использованием A380, основанного на двигателе внутреннего сгорания. CFM изменит камеру сгорания, топливную систему и систему управления ТРДД GE Passport для работы на водороде.

Результаты летных испытаний сообщат о направлении водородного испытательного стенда A380. Фото: Airbus

Испытательный двигатель будет установлен в задней части фюзеляжа, чтобы можно было измерять такие параметры, как выбросы и инверсионные следы, без помех со стороны других двигателей самолета, которые будут работать на обычном реактивном топливе.

Программа осуществляется в качестве подготовки к задаче Airbus по выводу на рынок самолетов с нулевым уровнем выбросов к 2035 году.0003

«Возможность сжигания водорода является одной из основополагающих технологий, которые мы разрабатываем и совершенствуем в рамках программы CFM RISE. Объединив коллективные возможности и опыт CFM, наших материнских компаний и Airbus, у нас действительно есть команда мечты для успешной демонстрации водородной силовой установки».

Верите ли вы, что в будущем мы увидим водородные реактивные двигатели внутреннего сгорания, приводящие в движение самолеты, или более распространенными будут водородно-электрические и топливные элементы? Оставьте комментарий ниже и присоединяйтесь к беседе.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Наука >
Топливные элементы

• Дом
• Индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 13 апреля 2021 г.

Около века назад количество автомобилей
на Земле исчислялись тысячами. Сегодня насчитывается около миллиарда автомобилей — примерно по одному на каждые семь человек на планете, и ожидаемое число
к 2040 году достигнет 2 миллиардов. Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции
только с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете
что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки
называют «нефтяным пиком», а в ближайшие десятилетия поставки бензина
(и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если
что произойдет, откуда все наши автомобили будут получать топливо?
Краткосрочное решение — повысить эффективность использования топлива.
из существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение
может заключаться в переводе автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на
электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде
газ, который никогда не иссякает. Бесшумные и не загрязняющие окружающую среду, они являются одними из
самых чистых и экологичных источников энергии, которые когда-либо были разработаны.
Они все, что они обещали быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus).
Фотография предоставлена ​​Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Содержание

1. Что такое топливные элементы?
2. Как топливный элемент производит электричество из водорода?
3. Блоки топливных элементов
4. Типы топливных элементов
5. Откуда возьмется весь водород?
6. Электролизеры и электролиз
7. Почему топливные элементы так долго не приживаются?
8. Узнать больше

Что такое топливные элементы?

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

На самом деле есть только два способа привести в действие современный автомобиль. Большинство автомобилей на
дороги сегодня используют двигатель внутреннего сгорания
сжигать топливо на нефтяной основе, вырабатывать тепло и толкать поршни вверх и
вниз, чтобы управлять коробкой передач и колесами. Электрический
автомобили работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они
полагаться на батареи, которые питают электричеством
электродвигатели, непосредственно приводящие в движение колеса. Гибридные автомобили имеют оба
двигатели внутреннего сгорания и электрические
двигателей и переключаться между ними в соответствии с условиями вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания
мощность двигателя и аккумулятора. Подобно двигателю внутреннего сгорания, они производят
мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением
газообразный водород, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя,
топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит
химически с кислородом из воздуха, чтобы сделать воду. В процессе,
что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и
это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять
транспортное средство. Единственным отработанным продуктом является вода, и она настолько чиста, что вы можете
выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо
медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батареи),
топливные элементы работают на постоянной подаче водорода и продолжают производить
электричество, пока есть топливо в баке.

Как топливный элемент производит электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим
реакция.
Это химическая реакция, потому что в ней соединяются два химических вещества.
вместе, но это также и электрическая реакция, потому что электричество
образуется по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, подобных элементам батареи. Это
имеет положительно заряженную клемму (показана красным цветом), отрицательно
заряженный терминал (синий) и
разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый)
держать их врозь. (Думайте обо всем этом как о бутерброде с ветчиной.
клеммы — это кусочки хлеба, а электролит — это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент вырабатывает электричество:

1. Газообразный водород из бака (показан здесь как большие коричневые капли) подается по трубе к положительной клемме . Водород легко воспламеняется
   и взрывоопасен, поэтому танк должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) поступает по второй трубе к отрицательной клемме.
3. Положительная клемма (красная) изготовлена ​​из платины, катализатора из драгоценного металла.
   предназначен для ускорения химии, которая происходит в топливном элементе. Когда атомы газообразного водорода достигают
   катализатора, они распадаются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные шарики). На случай, если вы запутались: ионы водорода — это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку у них есть только один протон и один электрон, ион водорода — это то же самое, что и протон.
4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательной клемме (синий) и проходят через электролит.
   (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки.
   и только протоны могут пройти через него.
5. Тем временем электроны текут по внешней цепи.
6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), приводящий в движение колеса автомобиля. В конце концов, они также достигают отрицательной клеммы (синяя).
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в результате химической реакции, в результате которой образуется вода.
8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (другие люди говорят, что это означает полимерообменную мембрану или протонообменную мембрану, поскольку она включает обмен протонами через полимерную мембрану). Это будет держать
работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение
фактором является количество водорода в баке.

Рекламные ссылки

Блоки топливных элементов

Один топливный элемент производит столько же электроэнергии, сколько
одна сухая батарея — далеко не достаточно для питания портативного компьютера,
не говоря уже о машине. Вот почему топливные элементы, разработанные для транспортных средств, используют стеки.
топливных элементов, соединенных в серию. Суммарная электроэнергия, которую они
продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой
клетка производит.

Типы топливных элементов

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент. Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 Вт) энергии. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/National
Лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC)
в настоящее время
предпочитают инженеры для приведения в действие транспортных средств, но они ни в коем случае не
возможен только дизайн. Поскольку существует много видов батарей, каждый
с использованием различных химических реакций, поэтому существует много видов топлива
ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочной.
топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть
созданный альтернативной конструкцией, известной как твердый оксид
топливная ячейка
(ТОФК). Микробные топливные элементы обладают дополнительным
особенность: они используют
резервуар с бактериями для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива
и производить либо электрический ток (который можно использовать для питания
двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).
Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для расщепления воды на водород и кислород.
электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество подобных действий по сравнению с прямым использованием солнечной энергии состоит в том, что вы можете накапливать
водород в дневное время, когда светит солнце, а затем использовать его для вождения
топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждый автомобиль
работать на жидкости, которую мы довольно ошибочно называем газом. Но в следующие 150
лет многие думают, что автомобили будут работать на настоящем газе:
водород. Теоретически заправлять автомобили водородом — отличная идея: это самый простой способ
и самый распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство
(примерно три четверти) всего вещества во Вселенной.
Тогда всего на всех! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе
вокруг вас, и вы не найдете много водорода — всего около одного
литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (в натуральном выражении,
это то же самое, что охотиться за двумя литрами воды наугад
перепутал в каждом олимпийском бассейне полный). Так откуда же возьмутся все огромные облака водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком?
Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода.
Разделив старый добрый h3O на части, вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Электролизеры и электролиз

Электролизер — часть электрохимического аппарата (нечто
который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для
провести электролиз: расщепление раствора на атомы, из которых он сделан, пропуская через него электричество. Электролиз был
Впервые в 18 веке британский химик сэр Хамфри Дэви
(1778–1829), который использовал примитивную батарею, называемую
Вольтов столб
открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на батарею, работающую в обратном направлении:

• В батарее химические вещества упакованы в герметичный контейнер с двумя
  электрические клеммы, погруженные в них. Когда вы подключаете
  клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакции внутри
  контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.
  (Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
• В электролизер вы помещаете раствор в контейнер и опускаете два
  терминалы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому
  источник питания и пропускают электричество через раствор. Химическая
  происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если
  раствор, который вы используете, это чистая вода (h3O), вы обнаружите, что он быстро распадается
  на газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на
  положительный электрод). Их относительно легко собирать и хранить.
  газа для использования в будущем.

Фото: Демонстрация водородной энергетики. Свет (от Солнца) попадает на солнечный элемент (синий прямоугольник слева),
изготовление электричества. Электролизер использует эту электрическую энергию для расщепления воды на кислород и водород.
(собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический
ящик справа), который производит электричество
и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца предоставлены Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит газообразный водород из воды:

1. Батарея соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через
   электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность
   значительно улучшается при использовании в качестве электролита твердой полимерной мембраны, позволяющей ионам проходить через нее.
2. При включении питания вода (h3O — показана здесь как две красные капли, соединенные с одной зеленой) расщепляется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов, показаны красным) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительным электроны, показанные зеленым цветом).
3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательной клемме и рекомбинируют попарно с образованием газообразного водорода.
   (ч3).
4. Аналогичным образом отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и рекомбинируют там попарно с образованием газообразного кислорода.
   (О2).

Почему топливные элементы так долго не приживаются?

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем подобные насосы для заправки водородом станут обычным явлением.
Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

» В течение десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: как только вы подумаете, что кол вбит в его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология восстает из могилы.»

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашают топливные элементы следующей большой силой
поставки с 1960-х годов, когда космический корабль «Аполлон»
ракеты первыми
показали, что технология практична. Четыре десятилетия спустя,
на наших улицах почти нет машин на топливных элементах — по разным причинам.
причины. Во-первых, мир готовится к производству бензиновых двигателей путем
миллион, так что они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое
надежный. Обычный автомобиль можно купить за несколько тысяч
долларов/фунтов, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах стоил бы вам сотни
тысячи. («Относительно доступный» Mirai от Toyota стал широко доступен в 2016 году.
по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибридного Prius.
Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг.
договоренности. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно арендовать за относительно скромные 379 долларов.в месяц.)
Стоимость не единственная проблема. Там также массивный
нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи
везде, где можно обслуживать бензиновые автомобили и заправочные станции
повсюду, чтобы снабжать их топливом. Напротив, вряд ли кто
ничего не знает о машинах на топливных элементах и ​​заправок практически нет
станции подачи сжатого водорода. «Водородная экономика» — это далекая мечта.

Легко понять, как может работать мир, полный водородных автомобилей.
У нас было бы много заводов по производству электролизеров повсюду, производящих
газообразный водород из воды. Теперь газы занимают гораздо больше
пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород
газа в жидкий водород, что упрощает его транспортировку и хранение,
путем сжатия его до высокого давления. Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?)
где люди могли бы закачивать его в свои автомобили, которые будут работать на топливных элементах вместо обычных бензиновых двигателей.

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор работает
одним. Фотография Кейта Випке предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL) (номер фотографии NREL № 33995).

Проблема с водородом

Но видите ли вы проблему? Производство водорода путем электролиза требует энергии, и довольно много: мы должны использовать электричество, чтобы расщепить воду.
Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, их эффективность может составлять около 10 процентов.
в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая жалкую общую эффективность всего в
7,5 процента. Это довольно плохое начало — и это только начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить достаточное количество его в своих баках, чтобы поехать куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии
водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы) равен
примерно в пять раз меньше бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко.
(при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелее бензинового, что может быть не так, потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии). Другая проблема заключается в том, что водород
трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно
крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку
водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И потом, конечно, все неэффективности на противоположном конце процесса, когда топливный элемент
автомобиль превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, приводящих в движение его колеса.

Водород не является топливом

» …водород — это разрекламированная подножка… Водород — это не чудесный источник энергии, это просто
энергоноситель, как аккумуляторная батарея. И это довольно неэффективная энергия
носитель, с целой кучей практических дефектов».0080

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто способом транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса.
Так что лучше сравнивать с аккумуляторами (еще один способ упаковки и транспортировки энергии)
чем к бензину (настоящему топливу). В общем, сегодняшние водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от аккумуляторов, и часто менее эффективны, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

На данный момент в мире относительно мало водорода для заправки автомобилей,
и практически весь он (около 95 процентов) производится из ископаемого топлива экологически небезопасным способом, поэтому его вряд ли можно назвать «зеленым».
По данным Международного энергетического агентства: «Спрос на водород, который вырос более чем в три раза с 1975 года, продолжает расти — почти полностью обеспечивается за счет ископаемого топлива, при этом 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идет на производство водорода. »
Есть много текущих исследований, чтобы изменить это, и есть
множество способов получения водорода из воды.
Мы могли бы, например, использовать солнечные элементы для «бесплатного» электролиза воды, но мы могли бы так же легко хранить ту же энергию в батареях и вместо этого использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумуляторными батареями действительно лучше, водород может оказаться дорогостоящим отвлекающим фактором от важного дела по переходу мира с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Суммируя все эти проблемы, можно объяснить, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с дурацкими элементами», которые «невероятно глупы».

Но у водорода есть и свои плюсы!

Так почему же люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, они имеют многочисленные преимущества перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где зарядка автомобиля с батарейным питанием может занять от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заполнить бензобак обычного автомобиля. Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь утверждают, что они могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и диапазон страдает, когда ваша батарея стареет. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют почти такой же запас хода, как и обычные автомобили, работающие на бензине, хотя их производительность ухудшается с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для более крупных транспортных средств и грузовиков.
Действительно, Ballard, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что вскоре топливные элементы станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы,
поезда и даже самолеты, которые в противном случае работали бы на грязном ископаемом топливе.
В Калифорнии в настоящее время предпринимаются огромные усилия, чтобы сделать водород более популярным.

Что угодно, кроме масла?

Таким образом, пока автопроизводители не прекратят выпуск бензиновых и дизельных двигателей,
у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов для перехода на автомобили на топливных элементах.
Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии
имеют огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.
Большинство из нас пока будут придерживаться двигателей внутреннего сгорания,
хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что электромобили — это будущее, заставит нас изменить свой образ жизни где-то в следующем десятилетии.
или так. Увидим ли мы прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами
ты дома заряжаешь? Или, возможно, более плавный переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями.
и электродвигатели, которые продлят мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас
придумать совершенно новую технологию — может быть, даже
автомобили с ядерными двигателями!
Никто не знает, что ждет нас в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть
будет играть в нем гораздо меньшую роль. Чем раньше мы обнимемся
альтернативы — аккумуляторные электромобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Узнать больше

На этом сайте

• Биотопливо
• Автомобильные двигатели
• Электромобили
• Солнечные элементы

На других веб-сайтах

• Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, в том числе по тому, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какая экономия топлива вы можете ожидать. Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
• Калифорнийское партнерство по топливным элементам: отраслевое лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. Много хорошей справочной информации на сайте.
• Водородная экономика: исчерпывающее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
• Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвайне: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.
• Водород: факты и цифры о «водородной экономике» от Международного энергетического агентства.

Статьи

• Использование водородного топлива может привести к зависимости от ископаемого топлива, предупреждают исследователи Дамиана Кэррингтона, The Guardian, 6 мая 2021 года. Исследователи утверждают, что водород следует зарезервировать для приложений, которые электрификация не может охватить.
• Не верьте водородной и ядерной шумихе — они не могут привести нас к нулевому выбросу углерода к 2050 году Джонатон Порритт, The Guardian, 13 апреля 2021 года. Британский эколог утверждает, что быстрые экологические решения не складываются.
• Технология преобразования солнечной энергии в водород видит «выдающийся» скачок эффективности, Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 9 апреля 2021 г. Может ли новый способ получения водорода с помощью солнечного света сделать топливные элементы более жизнеспособными?
• Калифорния пытается запустить водородную экономику, Иван Пенн и Клиффорд Краусс, The New York Times, 11 ноября 2020 г.
• Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в «электростанции» без выбросов Джиллиан Амброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 г. Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные генераторы электроэнергии.
• UPS для развертывания гибридов топливных элементов и аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым уровнем выбросов Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки на топливных элементах начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
• Первые автомобили на водороде. Теперь «Заправочные станции» Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 г. Если великая водородная экономика когда-нибудь начнет развиваться, нам понадобится намного больше водородных станций.
• Почему топливные элементы будут доминировать в автомобилестроении, Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
• Битва за автомобили с нулевым уровнем выбросов: водород или электричество? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 г. Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения запаса хода электромобилей.
• Машины на водородных топливных элементах возвращаются на очередной заезд Лоуренса Ульриха. The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
• Портативная солнечная электростанция очищает воду и производит водород, Уилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях может очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
• Энергетическое наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
• Керамические топливные элементы Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как можно использовать топливные элементы для получения домашнего электричества.
• Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать небольшие электроприборы, а также автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономика

• Топливные элементы и производство водорода Тимоти Э. Липман и Адам Вебер (редакторы). Springer, 2019. Краткий обзор современных исследований топливных элементов.
• Водород и топливные элементы: новые технологии и приложения Бент Соренсен и Джузеппе Спаззафумо. Academic Press, 2018. Обширный 522-страничный справочник по топливным элементам и их многочисленным применениям.
• Лучший транспорт и автомобили на водороде — увеличьте скорость: профессор физики из Кембриджа Дэвид Маккей не верил, что будущее за автомобилями на водороде. Его точка зрения заключалась в том, что водород является «неэффективным энергоносителем» (поскольку для производства водородного топлива требуется так много энергии) с «целой кучей практических недостатков» (поскольку водород очень трудно легко хранить и безопасно транспортировать).
• Водородная экономика: возможности и проблемы Майкла Болла и Мартина Витшеля. Издательство Кембриджского университета, 2009 г. Будут ли водородные автомобили перспективой? Какие препятствия нам нужно преодолеть в первую очередь?
• Водородная экономика Джереми Рифкин. JP Tarcher/Penguin, 2003. Более общий путеводитель по миру, наполненному водородными автомобилями на топливных элементах.

Электролизеры и ионный обмен

• Ионообменные мембраны: основы и применение Йошинобу Танака.
  Elsevier, 2007. Подробный выпускной курс, охватывающий все аспекты технологии ионообменных мембран, включая ее применение в электролизёрах.
• Моделирование и управление топливными элементами: приложения распределенной генерации
  Мохаммад Хашем Нехрир и Кайшэн Ван. Wiley-IEEE, 2009.

Патенты

• Патент США 7,241,950: Электролиз воды в солнечных элементах для получения водорода и кислорода, Qinbai Fan et al., Институт газовых технологий, 10 июля 2007 г. Передовой, высокоэффективный электролизер, работающий от солнечной энергии.
• Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода Джакомо Фаузера, 27 мая 19 г.24. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Занятия

• [PDF] Упражнение NASA Fuel Cell: Отличное небольшое задание для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​питать его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2008/2021) Топливные элементы. Получено с https://www.