Применение водорода на автомобильном транспорте в качестве топлива

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 NO_x по сравнению с аналогичным бензиновым ДВС. Увеличение выбросов NO_x 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).

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.