Самым легким и элементарным химическим элементом в периодической таблице является водород.
Водород - легкий газ без цвета и аромат, обладающий высокой реакционной способностью с кислородом и галогенами. Это самый богатый элемент во вселенной.
В настоящее время потребление водорода в мире составляет почти 45 млн. тонн в год, и ожидается, что в будущем это число будет только возрастать. Импорт водорода в будущем в основном будет связан с его использованием в качестве топлива в промышленности и в транспортной сфере.
Существует два способа использования водорода: прямое сгорание в двигателях внутреннего сгорания и использование в качестве топлива для водородных топливных элементов, вырабатывающих электрическую энергию.
Существует широкий спектр методов производство водорода для промышленных и транспортных целей. Вот основные из них:
- Реформирование сектора природного газа - на сегодняшний день это самый дешевый и распространенный метод. Тепло для реакций реформирования и конверсии углекислого газа поступает непосредственно от сжигания природного газа.
- Электролиз воды - процесс деления воды на водород и кислород с помощью электричества.
- Высокотемпературный электролиз - часть поставляемой энергии представляет собой электрическую энергию, а часть поставляется в виде тепла, что повышает эффективность всего процесса.
- Термохимические циклы - вода делится на водород и кислород по цепочке химических реакций, в которых используется энергия в высокотемпературной тепловой форме.
- Биотехнологическое производство водорода - производство водорода микроорганизмами.
- Водородная ферментация - происходит без солнечного света. Органические материалы используются в качестве первичного источника водорода, а также в качестве источника энергии.
- Фотоферментация - органические материалы трансформируются бактериями в водород. Может сочетаться с водородной ферментацией.
Что же касается непосредственно водородного транспортного средства, в первую очередь следует отметить, что это своеобразный электромобиль, который питается от водородных топливных элементов, которые собираются в штабеля.
В общей конструкции штабелей один стек предназначен для удержания достаточного количества энергии для обеспечения необходимой мощности в автомобильной промышленности. Энергия вырабатывается при условии наличия топлива и аналогична энергии двигателя внутреннего сгорания. Энергия стека топливных элементов приводит в движение электродвигатель, приводящий транспортное средство в движение. Топливные элементы не используют сжигание водорода для получения энергии, но энергия, скрытая в атомах, преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Для этих целей также используется кислород, который электрохимически вступает в реакцию с водородом, вырабатывающим воду и электрическую энергию.
Водородные топливные элементы состоят из электродов, которые в основном состоят из углерода, то есть покрывают тонкий слой платины или платины и рутениевого сплава. Эти электроды размещены на обеих сторонах мембраны (полимерные листы) и способны переносить ионы. Если аноды соединены токопроводящими пластинами, которые подают с одной стороны водород, а с другой кислород (соответственно воздух), то можно получать электрическую энергию.
Электроэнергия вырабатывается путем деления атомов водорода на протоны и электроны на аноды. Мембрана позволяет передавать протоны в катод, когда электроны перемещаются в замкнутом контуре, производя электрический ток. На стороне катода находятся протоны и электроны, которые воссоединяются снова и в реакции с кислородом образуют воду.
Теоретический КПД колеблется в пределах 80-90% из-за вида топлива, в отличие от классического двигателя внутреннего сгорания, который не может достичь КПД выше 40%. Практическая эффективность колеблется в пределах 40-60% из-за потерь. Ведь результирующая эффективность выше.
Водород как топливо по-прежнему является газом. Ключом к применению стратегий сжигания при низком содержании водорода в качестве топлива являются широкие пределы воспламеняемости. Еще одним фактором, который делает водород более подходящим для концепции бережливого сжигания, является высокая скорость пламени даже при низких температурах.
Основой работы подобного транспортного средсва является конечно же водродный двигатель внутреннего сгорания. Благодаря своим физико-химическим свойствам водород в основном используется в искровых двигателях. Для сжигания водорода в настоящее время используется модифицированная версия обычного четырехтактного бензинового поршневого двигателя. Данный тип двигателя работает на циклическом принципе.
Не смотря на все свои преимущества водородные двигатели имеют и ряд недостатков. Наиболее существенной проблемой водорода является низкая энергия инициативы и широкий диапазон воспламеняемости, что приводит к раннему воспламенению смеси. Сгорание не начинается в идеальный момент грубой и неэффективной работы двигателя (возможность обратного зажигания и повреждения всей системы).
Снизить или даже исключить возможность предварительного воспламенения смеси можно с помощью подходящей топливной системы. На сегодняшни день существуют такие топливные системы, как:
- Центральный впрыск - смесь производится в одном месте всасывающих трубок во время впуска (модифицированный бензиновый двигатель).
- Впрыск через отверстие - улучшенный центральный впрыск. Смесь производится в трубах более чем в одном месте, перед клапаном. Давление на входе выше, чем при центральном впрыске, и вероятность предварительного зажигания ниже.
- Впрыск постоянного объема (CVI) - количество топлива и время впрыска обрабатывается кулачком.
- Электронный впрыск топлива (EFI) - позволяет впрыскивать переменный объем топлива и изменять время его впрыска.
- Прямое впрыскивание - впрыск топливной смеси происходит во время сжатия. Всасывающий клапан закрыт, и топливо впрыскивается в цилиндр двигателя. Производительность двигателя с прямым впрыском примерно на 42% выше, чем у центрального двигателя и примерно на 20% выше, чем у бензинового двигателя.
В будущем водородные технологии будут иметь решающее значение для обеспечения их хранения.
На эту тему можно ещё говорить и говорить, поэтому, конечно же это ещё не конец! Если Вам понравилась эта статья, то продолжение Вы можете найти по ссылке: https://zen.yandex.ru/media/id/5d692e45ddfef600ade5ad93/vodorodnyi-transport-i-ne-tolko-chast-2-5dd7a38c0d682f6da91c5b3e
Уверяю Вас, оно не менее увлекательное!