Водородная топливная система

Министерство образования и науки РФ

Восточно – Сибирский государственный университет

технологий и управления

Машиностроительный факультет

Реферат на тему:

Водородная топливная система

г. Улан – Удэ

2013 г.

Содержание

1. Введение………………………………………………………………….. 3

2. Водород как топливо……………………………………………………. 4

3. Автомобиль на водородном топливе………………………………….. 7

4. Заключение……………………………………………………………… 12

5. Список использованной литературы…………………………………... 13

Введение

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд). Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной. Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Практически все известные сейчас виды топлива, кроме водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению. На повестке дня уже много лет стоит важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью. Планета поставила себе задачу - в ближайшие 10 - 15 лет избавиться от нефтяной зависимости. Единственный выход - как можно скорее запустить в серийное производство водородный автомобиль. В перспективе автомобилям совсем запретят выбрасывать вредные вещества, и тогда нельзя будет обойтись без машины, работающей на водороде. Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных, бензиновых, спиртовых, метановых, пропанобутановых и других.

Водород как топливо

Существующие на сегодняшний день технологии производства водорода далеки от совершенства. Несмотря на это, гиганты химической промышленности и сегодня уже получают по 500 млрд. м3 водорода в год. Половина производимого количества идет на аммиачные удобрения, остальное - на производство стали, стекла, маргарина и пр. В основном водород получают с помощью парового риформинга природного газа: метан при высоких температурах (900°С) в присутствии никелевого катализатора реагирует с паром. Пока что такой водород самый дешевый, однако, российские ученые знают, как удешевить производство еще в 2 раза. Казалось бы, самый простой способ получения водорода - электролиз (электрическое расщепление воды). Результат - водород и кислород. Но в целом эффективность этого процесса не очень велика: надо затратить 4 кВт электроэнергии, чтобы получить 1 м3 водорода, который, сгорая, даст лишь 1,8 кВт. Тем не менее, электролиз воды довольно перспективен и ему наверняка найдут применение, тем более, что существуют выходы из «энергетической проблемы». Во-первых, можно использовать энергию атомной электростанции в часы слабой нагрузки (когда вырабатывающаяся там энергия оказывается невостребованной) или, в конце концов, возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, энергия ветра, приливы и пр.). Во-вторых, эта технология активно - развивается: электролиз для большей эффективности можно проводить при повышенном давлением или температуре, что и пытаются сделать ученые. Сейчас биологи активно разрабатывают еще одно направление. Некоторые бактерии и водоросли в процессе фотосинтеза разлагают воду и выделяют водород. Проблема в том, что они делают это только в отсутствии кислорода, следовательно, процесс длится очень короткое время, так как при разложении воды, естественно, образуется и кислород. Задача ученых - с помощью генной инженерии продлить этот период.

Рис 1. Общая схема водородного двигателя: электродвигатель, топливный элемент, водород для его работы.

Проблема заключается в том, что нужен некий аналог топливного бака, а ведь водород в топливный бак не нальешь. Это на сегодняшний день самая большая техническая трудность. Ученые рассматривают довольно много вариантов. Например, можно хранить водород в аккумуляторах на основе гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi идр.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистое вещество. Можно хранить водород в жидком виде. Но, во-первых, это требует охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (соответственно, вырастает стоимость водорода), а во-вторых, заправленный таким образом автомобиль должен будет расходовать свое топливо как можно быстрее. Очень перспективное направление - хранение водорода в наноструктурах (углеродных нанотрубках), однако эти исследования находятся пока на начальных стадиях. Наиболее перспективным ученые считают хранение водорода в баллонах высокого давления - более 350 атм или получение его прямо на борту из другого топлива (метанола или жидких углеводородов: бензина, дизельного топлива и пр.), в специальных каталитических реакторах (аспектное число около 10 %). Такие системы разработаны и российскими учеными и при разумных габаритах обеспечивают запас водорода для пробега в несколько сотен километров. Конструкторы сталкиваются также и с другими проблемами. Так, машина (прежде всего кабина) должна иметь систему водородной безопасности. Несмотря на это, Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей. Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Автомобиль на водородном топливе

Главное препятствие к внедрению водородного автомобиля - отсутствие системы промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую систему удастся создать не раньше 2020 -2030 гг. На переходный период ведущие автомобилестроители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатываются практически всеми ведущими автомобильными компаниями и уже серийно выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания приводит в движение колеса через механический привод. Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что их эффективность катастрофически мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий коэффициент полезного действия (КПД) автомобиля - 10-12 % (за городом, где меньше светофоров, 15-17 %). Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу. Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержится лишь в незначительных количествах. Однако широкому применению водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно поддерживать в баллоне температуру -2530С. Применять сосуды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испарение не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном автомобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое решение: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг. Успешно прошел испытания и автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя повысился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топливными системами. По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Автомобили на водородном топливе условно можно разделить на три класса.

Первый - это машины с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде или водородной смеси. Такие модели могут работать на чистом водороде или 5- 10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях КПД двигателя увеличивается (во втором случае примерно на 20%) и выхлоп становится гораздо чище (содержание угарного газа (СО) и углеводородов (СnНm) уменьшится в полтора раза, оксидов азота (NOx) - до пяти раз. Такие двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания у нас и за рубежом примерно в 70-80-х годах. Однако, учитывая затраты и конструкционные сложности, это может быть только промежуточным, переходным этапом на пути к третьему типу.
Второй - это машины с двумя электроносителями, так называемые гибридные. Его колеса приводят в движение электропривод, энергию которому поставляет аккумулятор, в свою очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь КПД электродвигателя достигает 90- 95 % в отличие от бензинового (35 %) или дизельного (50 %), таким образом, общий КПД повышается до 30 %, соответственно снижается расход топлива. Даже если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем вредных выбросов позволяет уложиться в нормы «Евро-4» с десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый выхлоп можно только у третьего типа автомобилей.

Рис.2 Экостат – емкость для хранения водорода

в связанном состоянии в гидриде

Третий - настоящий водородный автомобиль - это машина с электродвигателем, который питается от топливного элемента, расположенного на борту автомобиля. Теоретически КПД топливного элемента, работающего на смеси водород - воздух, может быть больше 85 %. Сейчас уже удалось получить двигатели с КПД около 75 % - это более чем в два раза выше, чем в лучших двигателях внутреннего сгорания. В условиях города такие машины получат пяти - шестикратное преимущество перед обычными автомобилями.

Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с водородной топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента. Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект. Расход горючего снизился 20%. Но главное - количество токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.

Автомобиль для своего движения потребляет энергию окисления жидкого углеводородного топлива (бензина), хранящегося на борту. Водород в газообразном виде имеет низкую плотность, что является проблемой, которая сдерживает широкое использование водорода в транспорте. Водород на борту автомобиля можно хранить в газообразном компрессированном состоянии, в сжиженном состоянии и в химически связанном состоянии в виде гидридов. Попытки использовать компрессированный водород для питания ДВС не дали положительных результатов. Баллоны с водородом имеют большой вес и объем. Кроме того баллоны с высоким давлением водорода на борту автомобиля, в случае аварии, являются взрывным устройством с большой ударной силой. Жидкий водород имеет температуру кипения - 252,40 С и плотность 0,071кГ/л, тогда как под давлением 30 МПа его плотность составляет только 0,025кГ/л. Следовательно, жидкий водород более компактный, чем сжатый и представляет значительный интерес для транспорта. В этой связи необходимо отметить много примеров использования жидкого водорода в легковых автомобилях и автобусах. Вместе с тем сложность криогенного оборудования и неизбежность выкипания водорода при хранении сдерживают использование жидкого водорода в транспорте. Хранение водорода на борту транспортного средства в химически связанном состоянии в виде гидридов представляет практический интерес в связи с тем, что в этом случае выполняются условия высокой степени безопасности эксплуатации при низких затратах энергии на аккумулирование водорода в гидридах. Необходимо отметить, что в гидридах водород имеет более высокие характеристики по массе и объему.

Заключение

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты. Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород - сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов. Автопроизводители говорят, что водородные двигатели решают сразу две важнейшие задачи, во-первых, они делают автомобили и их выхлопы безвредными для окружающей среды, а во-вторых, они снижают зависимость транспортной системы, являющейся ключевой для современного мира, он нефти и ее производных.

Таким образом, водород является одним из перспективнейших видов топлива энергетики будущего, будучи незаменимым топливом, для водородно-кислородных топливных элементов.

Список использованной литературы

1. Захаров А. И., Иванков В. В. Комбинированная система питания двигателя внутреннего сгорания экологически чистых транспортных средств, преимущественно автомобилей. - М.: Феникс, 2009, с. 84.

2. Захаров А. И., Иванков В. В., Степанов В. В. Способ получения сплавов накопителей водорода на основе химически активных переходных металлов. - М.: Россия, 2010, с. 13- 17.

3. Мищенко А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей. Киев: Хутор, 1999, с. 54.

4. Непомнящий А.Л. История автомобилей. - С-Пб: Питер, 2008, с. 53-57.

5. Шотт А.В. Курс лекций по истории автомобильного транспорта. - Минск: Асар, 2004, с. 28-33.