3.1.3 Водород

В настоящее время всё более широко ведутся работы по применению в качестве топлива водорода, а также его смесей с бензином. Характерные особенности водорода заключаются в следующем:

• водород самый лёгкий элемент, даже в жидком состоянии он в 14 раз легче воды;

• в единице массы водород содержит в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объёмы;

• водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и, в частности, с воздухом атмосферы;

• водород горит в газообразном состоянии с образованием паров воды. Для сжигания 1 кг водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина;

• отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине.

Использование водорода в чистом виде требует значительного усложнения конструкции системы питания и двигателя в целом. Это связано с низкой теплотворной способностью водородно-воздушной смеси, в результате чего мощность двигателя снижается на 15 – 20 %. Этого недостатка можно избежать если организовать поступление водорода непосредственно в цилиндр двигателя на такте всасывания или в начале такта сжатия, то есть произвести радикальные изменения конструкции системы питания.

Но использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси не требует таких изменений. Эксплуатация автомобилей на бензоводородных смесях в условиях интенсивного городского движения позволяет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов. Так, например, если расход бензина составлял 12,2 кг/100 км, то в данном случае он снизится до 5,5, а расход водорода составит всего 1,8 кг. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота – в 5 раз, углеводородов – на 30 %.

Следует иметь в виду, что по стоимости водородное топливо не выше других синтетических топлив.

Известно, что жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по энергии количе­ство бензина, что усложняет его хранение и распределе­ние (необходима надежная теплоизоляция бака, так как температура жидкого водорода минус 253°С). В каче­стве емкостей для транспортирования и хранения при­ходится использовать криогенные резервуары с двойны­ми стенками, пространство между которыми заполнено изолирующими материалами. Получение водорода элек­тролизом, термической диссоциацией и фотолизом воды, термохимическим способом, из гидрида магния с добав­кой 5% никелевого катализатора при нагревании до 257°С (порошкообразный гидрид магния занимает в 4,6 раза больший объем, чем эквивалентное количе­ство бензина) представляет определенные сложности.

Учитывая, что смесь газообразного водорода с ки­слородом воздуха в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ, который в закрытых емкостях или помещениях горит очень быстро при значительном повышении давления, что может привести к взрыву и разрушениям, необходима полная герметизация топливоподающей системы и организация сброса избыточного давления водорода в баке с его последующей нейтра­лизацией на каталитических дожигателях. Специальная система, исключающая утечки жидких и газообразных фаз топлива, требуется и для заправки автомобиля жидким водородом.

Для комбинированного питания двигателя бензоводородной смесью, когда расход водорода невысок (в пределах 20% от основного топлива), его использо­вание возможно в сжатом виде. Включение и отсечка подачи водорода не вызывают затруднений и обычно производятся с помощью электромагнитного клапана.

В качестве наиболее перспективной формы использо­вания водорода рассматриваются вторичные энергоно­сители, когда водород аккумулируют, например, в соста­ве металлогидридов. В этом случае успешно решается проблема безопасности эксплуатации водородного то­плива, к тому же обеспечивается приемлемый энерго­запас без необходимости создания высоких давлений или криогенных температур.

Выделение водорода происходит при подогреве гид­ридов горячей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно отработавшими газами. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный метал­лический компонент пропускается водород под неболь­шим давлением и одновременно отводится образующе­еся тепло. Процесс зарядки может повторяться несколь­ко тысяч циклов без ухудшения энергоемкости аккумуля­тора. В случае аварии и разрушения наружной оболоч­ки емкости часть водорода быстро улетучивается, вызы­вая понижение температуры гидрида и прекращение вы­деления водорода. Благодаря этому гидридный аккуму­лятор водорода во многих отношениях безопаснее бака с бензином.