Применение водорода на автомобильном транспорте в качестве топлива | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Ченский, В. В. Применение водорода на автомобильном транспорте в качестве топлива / В. В. Ченский, М. А. Ляченков, В. А. Проценко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 21 (311). — С. 552-555. — URL: https://moluch.ru/archive/311/70651/ (дата обращения: 09.07.2020).



В статье рассматривается возможность применения водорода на автомобильном транспорте как в качестве добавки к углеводородному топливу, так и при применении в топливных элементах, преобразующих водород непосредственно в электричество для питания электродвигателя в автомобиле. Также рассмотрены примеры топливных систем существующих автомобилей, где нашли применение подобные топливные элементы.

Ключевые слова: водород, топливный элемент,F-CELL, GLC, FCEV.

В середине прошлого века в СССР были проведены исследования [5] и накоплен опыт по применению водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, в частности Институтом машиностроения Украинской академии наук под руководством А. Н. Подгорного, И. Л. Варшавского и А. И. Мищенко были переоборудованы несколько двигателей легковых автомобилей, микроавтобусов и автопогрузчиков для работы на водороде [7,8]. В исследованиях использовались двигатели с принудительным искровым зажиганием.

По результатам испытания поршневых двигателей [6,8,9] было выявлено заметное улучшение экологических показателей отработавших газов: при использовании в качестве топлива чистого водорода в отработанных газах не содержится CO, CO2 и CH. Однако водородные двигатели при увеличении степени открытия дроссельной заслонки теряют мощность, при этом наблюдается увеличение выбросов оксидов азота NOx по сравнению с аналогичным бензиновым ДВС. Увеличение выбросов NOx связано с увеличением скорости сгорания водородовоздушной смеси в районе ВМТ.

Полная замена бензина водородом в двигателе внутреннего сгорания с принудительным зажиганием на сегодняшний день является проблемной из-за потери мощности. Поскольку водород имеет низкую плотность, для наполнения цилиндра необходимо большое количество данного топлива, что влечет за собой увеличенный расход. Решением данной проблемы является применение водорода в качестве добавки к углеводородному топливу.

В отличие от поршневого двигателя, роторно-поршневой двигатель Ванкеля в большей степени приспособлен как для работы только на водороде, так и при использовании водорода в качестве добавки в углеводородное топливо.

Испытания РПД с добавлением водорода проводили P. A. Salanki и J. S. Wallace [4]. Данное исследование продемонстрировало возможность получения высоких мощностных показателей даже при обеднении топливовоздушной смеси.

Альтернативой сжиганию водорода в двигателе является электрохимический способ получения энергии с помощью специального топливного элемента. Топливный элемент преобразует водород непосредственно в электричество для питания электрического двигателя. Тип транспортного средства, использующий подобную технологию, обозначен как FCEVs (рис. 1).

Обзор технологии водородного топливного элемента FCEV

Рис. 1. Схема транспортного средства, использующего технологию FCEVs [2]

Отличительным признаком и главным преимуществом транспортных средств, на которых применена данная технология является то, что при работе они не производят вредных выбросов в атмосферу, а единственным побочным продуктом является водяной пар.

Автомобили на водородных топливных элементах приводятся в действие электродвигателем и поэтому классифицируются как электрические автомобили. Распространенное сокращение — FCEV — происходит от Fuel cell vehicle, что переводится как «электромобиль на топливных элементах», в отличие от BEV (Battery Electric Vehicle) или «электромобиль с аккумулятором».

Между автомобилями на водородных топливных элементах и другими электромобилями есть одно существенное различие — автомобили с водородными топливными элементами сами производят электричество. Таким образом, в отличие от полностью электрических или подключаемых гибридных транспортных средств, автомобиль не получает энергию от встроенного аккумулятора, который нужно заряжать от внешнего источника питания. Вместо этого у водородных автомобилей есть собственная эффективная силовая установка — водородный топливный элемент.

Исследователи компании BMW убеждены [2], что водород может внести важный вклад в устойчивую мобильность наряду с BEV в будущем при условии наличия необходимой водородной инфраструктуры. Компания Daimler представила первый в мире электромобиль Mercedes-Benz GLC F-CELL с топливными элементами, в котором дополнительным источником энергии является литий-ионная батарея. Модель производства электрической энергии на борту данного автомобиля вырабатывает из 4,4 кг водорода количество энергии, достаточное для прохождения дистанции в 437 км. Водители GLC F-CELL также получат выгоду в качестве дополнительных 49 км запаса хода автомобиля на одной зарядке благодаря большой литий-ионной батарее. Пополнять заряд батареи возможно из стандартной бытовой розетки питания с помощью бортовых зарядных устройств мощностью 7,4 кВт. Время зарядки от 10 до 100 % составляет около 1,5 часов при использовании полной мощности. [3] Запас водорода, благодаря глобально стандартизированной технологии топливных баков, можно пополнить за три минуты.

Электродвигатель автомобиля развивает мощность 100 кВт с крутящим моментом 290 Нм, что сопоставимо с показателями двухлитрового бензинового двигателя.

Успешным примером использования водорода для выработки электроэнергии на борту автомобиля является Toyota Mirai. Используя водород в качестве топлива для выработки электроэнергии, Mirai достигает превосходных экологических характеристик в совокупности с удобством и удовольствием от вождения, ожидаемым от любого автомобиля. Mirai оснащен двумя баками, в которых водород находится под давлением 700 бар, что достаточно для пробега до 500 км. Это первый серийно выпускаемый седан на топливных элементах, он обладает низким центром тяжести и мощностью 113 кВт, что обеспечивает отличные эксплуатационные характеристики [1].

Другим примером использования является Honda Clarity, в котором топливный элемент помещен в моторный отсек, что позволило сохранить вместимость автомобиля и обеспечить мощность 130 кВт и крутящий момент 300 Нм с пробегом до 650 км.

Плюсы и минусы технологии топливных элементов на водороде можно рассматривать с двух основных точек зрения: со стороны удобства эксплуатации и снижения выбросов загрязняющих веществ. По мнению ученых, перспективной альтернативой углеводородному топливу для автомобилей в будущем может выступить водород. Сравнивая двигатели, использующие водород как основное топливо или в качестве добавок, с электромобилями, оснащёнными топливными элементами, можно найти множество преимуществ в пользу последних. Так, подобные электромобили имеют низкий уровень шума и практически не выделяют вредных веществ в атмосферу. Таким образом, технология топливных элементов имеет хорошие возможности для развития ввиду значимости её преимуществ.

Литература:

  1. FCEVS. — Текст: электронный // Hydrogen Mobility Europe: [сайт]. — URL: https://h2me.eu/about/fcevs (дата обращения: 21.05.2020).
  2. Hydrogen fuel cell cars: everything you need to know. — Текст: электронный // BMW.com: [сайт]. — URL: https://www.bmw.com/en/innovation/how-hydrogen-fuel-cell-cars-work.html (дата обращения: 21.05.2020).
  3. The new GLC F-CELL. — Текст: электронный // www.mercedes-benz.com: [сайт]. — URL: https://www.mercedes-benz.com/en/vehicles/passenger-cars/glc/the-new-glc-f-cell/ (дата обращения: 22.05.2020).
  4. Salanki, P. A. Evaluation of the hydrogen-fueled rotary engine for hybrid vehicle applications / P. A. Salanki, J. S. Wallace // SAE Technical Paper series. — 1996. — №. 960232.
  5. Гусев, А. Л. Применение водорода в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в блокадном Ленинграде / А. Л. Гусев, Ю. П. Дядюченко // сб. тез. докладов II межд. симп. «Безопасность и экономика водородного транспорта», г. Саров, 2003. — С. 11–13.
  6. Левтеров, А. М. Экспериментальный образец водородного автомобиля на базе модели ГАЗ-2705 / А. М. Левтеров, В. Д. Савицкий // Автомобильный транспорт (Харьков, ХНАДУ). — 2008. — №. 22.
  7. Мищенко, А. И. Водородный автопогрузчик / А. И. Мищенко,
  8. В. Д. Савицкий, В. А. Байков // Вопросы атомной науки и техники. — 1987. — Вып. 3. — С. 44–45.
  9. Мищенко, А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей / А. И. Мищенко. — Киев: Наук. думка. — 1984. — 143 с.
  10. Мищенко, А. И. Разработка способов организации рабочих процессов ДВС с искровым зажиганием и систем для их реализации при использовании водорода в качестве топлива: дисс. … докт. техн. наук 05.04.02 / Мищенко Анатолий Иванович. — Харьков — 1986 г.
Основные термины (генерируются автоматически): F-CELL, GLC, водород, элемент, автомобиль, FCEV, BEV, углеводородное топливо, топливный элемент, качество добавки.


Ключевые слова

водород, топливный элемент, F-CELL, GLC, FCEV

Похожие статьи

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Использование синтез-газа в качестве добавки к моторному топливу считается даже предпочтительнее, чем чистого водорода, т. к

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в...

Водородтопливо будущего? | Статья в журнале...

Главная беда водородного автомобиля — хранение топлива, ведь водород это газ, который имеет достаточно низкую плотность, и хорошего

Сам водород будет аккумулироваться и использоваться в качестве источника топлива для гибридных коммерческих транспортных...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

В отличие от обычного гальванического элемента электроды в ТЭ в процессе работы не изменяются, так как окислители и восстановители в

В качестве отрицательного электрода может служить не только водород, но и любое углеводородное топливо (метан, водяной газ...

Особенности топливных систем двигателей, работающих на...

Как моторное топливо водород обладает рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при разработке топливных систем

При нагревании бака водород выделяется и направляется в двигатель. Наибольший эффект можно ожидать от применения в качестве...

Биполярные пластины для топливных элементов

Другими словами, биполярные пластины — это главные детали топливных элементов, в которых химическая энергия превращается в электричество. Они изобретены для электролиза воды в топливном элементе. Топливом, как правило, чаще всего выступает водород...

Создание технологий водородной энергетики | Статья в журнале...

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в значительной степени...

Изменение углеводородного состава автомобильного бензина...

Ключевые слова: качество топлива, электрическое поле, кинематическая вязкость

Стенд состоит из следующих основных элементов (рисунок 1): источник питания, формирователь

Стенд для исследования изменения показателей качества углеводородных топлив под...

Преимущества и недостатки основных видов топлива автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания – это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС...

Экологическая эффективность применения сжиженного...

Предлагается техническое решение по переводу автомобилей на газообразное топливо, представлены расчеты по экологическому

Миров, Б. К. Экологическая эффективность применения сжиженного углеводородного газа на автомобильном транспорте в качестве...

Похожие статьи

Краткий обзор опытно-конструкторских работ по использованию...

Использование синтез-газа в качестве добавки к моторному топливу считается даже предпочтительнее, чем чистого водорода, т. к

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в...

Водородтопливо будущего? | Статья в журнале...

Главная беда водородного автомобиля — хранение топлива, ведь водород это газ, который имеет достаточно низкую плотность, и хорошего

Сам водород будет аккумулироваться и использоваться в качестве источника топлива для гибридных коммерческих транспортных...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

В отличие от обычного гальванического элемента электроды в ТЭ в процессе работы не изменяются, так как окислители и восстановители в

В качестве отрицательного электрода может служить не только водород, но и любое углеводородное топливо (метан, водяной газ...

Особенности топливных систем двигателей, работающих на...

Как моторное топливо водород обладает рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при разработке топливных систем

При нагревании бака водород выделяется и направляется в двигатель. Наибольший эффект можно ожидать от применения в качестве...

Биполярные пластины для топливных элементов

Другими словами, биполярные пластины — это главные детали топливных элементов, в которых химическая энергия превращается в электричество. Они изобретены для электролиза воды в топливном элементе. Топливом, как правило, чаще всего выступает водород...

Создание технологий водородной энергетики | Статья в журнале...

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в значительной степени...

Изменение углеводородного состава автомобильного бензина...

Ключевые слова: качество топлива, электрическое поле, кинематическая вязкость

Стенд состоит из следующих основных элементов (рисунок 1): источник питания, формирователь

Стенд для исследования изменения показателей качества углеводородных топлив под...

Преимущества и недостатки основных видов топлива автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания – это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС...

Экологическая эффективность применения сжиженного...

Предлагается техническое решение по переводу автомобилей на газообразное топливо, представлены расчеты по экологическому

Миров, Б. К. Экологическая эффективность применения сжиженного углеводородного газа на автомобильном транспорте в качестве...

Задать вопрос