Что такое двигатель на водородном топливе, как собрать его своими руками

Дата публикации: 23 сентября 2019

Сто лет назад количество машин на Земле исчислялось тысячами. Сегодня у каждого седьмого человека есть автомобиль. Многие геологи считают, что в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и всего остального, сделанного из нефти) начнут сокращаться. Если это произойдет, откуда получать топливо?

Двигатель на водородном топливе

Есть две перспективы. Первая (краткосрочная) — необходимо добиться большей эффективности использования нефтетоплива, долгосрочная — решением может стать переключение транспортных средств с бензиновых/дизельных двигателей на электрические топливные элементы (электрохимические генераторы), работающие на водороде, которые никогда не разряжаются. Бесшумные, не загрязняющие окружающую среду, это одни из самых экологически чистых источников энергии, когда-либо разработанных. Разберёмся, как они работают.

Есть два способа заставить современный автомобиль двигаться:

1. Использовать двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В процессе сжигания нефотетоплива вырабатывается тепло, благодаря чему транспортное средство может ехать.
2. Электромобили работают совершенно по-другому. Там используются аккумуляторы, которые подают электроэнергию на электродвигатели, напрямую приводящие в движение колеса.

Есть гибридные автомобили, сочетающие оба варианта, водитель может переключатся между ними в соответствии с условиями вождения. Устройство водородного двигателя — нечто среднее между ДВС и аккумулятором. Он вырабатывает энергию, используя топливо из бака (газообразный водород под давлением, а не бензин или дизель). Процесса сжигания нет, H2 химически соединяется с кислородом из воздуха, образуя воду. Высвобождаемое электричество используется для питания электродвигателя. Никаких выхлопных газов.

Что происходит внутри

В основе принципа действия водородного двигателя лежит электрохимическая реакция. Состав топливного элемента — это три основные части:

• положительно (желтая) и отрицательно (сиреневая) заряженные клеммы;
• электролит (серый).

Электричество возникает следующим образом:

1. Газообразный H2 из резервуара подаётся к положительному полюсу. Поскольку вещество взрывоопасно, бак должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (голубые капли) идёт по второй трубке.
3. Положительная клемма металлическая (платина или палладий). Достигая катализатора, атомы H2 распадаются на ионы и электроны.
4. Положительно заряженные протоны притягиваются к отрицательному полюсу, двигаясь к нему через электролит. Последний представляет собой тонкую полимерную мембрану.
5. Электроны проходят через внешнюю цепь.
6. Приходит в действие электродвигатель, заставляющий колёса автомобиля двигаться.
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом путём химической реакции, которая производит воду.
8. Выхлоп — водяной пар.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока есть запасы H2 и O2. Поскольку воздух всегда доступен, единственный ограничивающий фактор — количество водорода H2 в баке.

Практическое использование водородного двигателя

Производство водорода H2 путём электролиза требует довольно много энергии. Это проблема, поскольку объём топливного бака придётся увеличить. Облегчить конструкцию можно, если использовать углепластик, что сильно увеличивает стоимость. Другой минус водородных двигателей — водород трудно хранить длительное время, его чрезвычайно маленькие молекулы легко просачиваются, а утечка может привести к возгоранию.

Ещё один отрицательный момент — энергоэффективность, КПД такого движка не превысит 30%, тогда как для электромобилей этот показатель достигает 70-80%. Плюс ко всему трудно найти заправку.

Преимущества тоже есть. Заправить машину можно за 5 минут, тогда как зарядка электромобиля занимает от получаса до 12 часов. У транспортных средств на топливных элементах такой же запас хода, как у обычных газовых машин, хотя их характеристики с возрастом ухудшаются. Но главный плюс — экологичность.

Как сделать водородный двигатель своими руками

Создание генератора водорода — эффективный способом существенного сокращения топливных расходов. Задача — подать в камеру сгорания специальный газ (система Брауна). Ниже приведена простая пошаговая инструкция.

1. Сборка электролита

Используйте 8 электролитических пластин из нержавеющей стали (16×20 см), уложив их друг на друга. У них уже должно быть отверстие сверху. Просверлите еще по одному отверстию толщиной 1 см. Между ними поместите ПВХ проставки (толщиной 3 мм). Стальные пластины не должны касаться друг друга. С помощью винтового соединения скрепите конструкцию.

2. Подготовка пластикового контейнера

Подготовьте ёмкость. Вставьте два длинных винта внутрь крышки, зазоры закройте герметиком. Прикрепите провод к каждому винту, обмотав его вокруг, оставьте снаружи контейнера. Сделайте еще одно отверстие в крышке и вставьте туда резиновый шланг, погрузив его в воду. Другой конец трубки должен открываться в пластиковый корпус воздухозаборника автомобиля.

Нужно будет просверлить отверстие в корпусе, чтобы вставить трубку. Для более прочного соединения используйте фитинги из ПВХ на обоих концах. Налейте дистиллированную воду, заполнив половину объёма. Положите пол чайной ложки соли или полную пищевой соды, хорошо перемешайте.

Поместите электролит из нержавеющей стали в контейнер, убедившись, что он хорошо погружен. Любые промежутки внутри ёмкости должны быть заполнены герметиком, чтобы предотвратить утечку газа. Внутри тары мгновенно образуются пузырьки, газ начал вырабатываться.

3. Подключение к источнику питания

Соедините выводы винтов контейнера с положительными и отрицательными клеммами источника постоянного тока с помощью зажимов. Если провода не обеспечивают убедительного соединения, используйте вместо этого барашковые гайки.

Можно подключить его напрямую к аккумулятору, отрицательный контакт подключается к аналогичному выводу батареи, а положительный — к реле зажигания блока предохранителей. Это необходимо для того, чтобы генератор включался только тогда, когда автомобиль тоже включен.

Сделать полноценный водородный двигатель для автомобиля своими руками не получится, поскольку технология довольно сложная.

Водородный двигатель принцип работы

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

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.

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%.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

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 H2O 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 H2, 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.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Водород как горючее

Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

• когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
• на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
• детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
• показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
• водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
• лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
• такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
• если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
• чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
• последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.

В чём опасность такого топлива

Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.