Что вы знаете о водородном двигателе?⁠⁠

Экологи регулярно напоминают всем об уменьшении озонового слоя планеты из-за вредоносных выбросов СО2 в атмосферу. При этом количество потребляемой людьми нефти если и сокращается, то совсем не в масштабах, радикально меняющих ситуацию.

Однако разработки альтернативных видов топлива все же ведутся, причем очень давно. Одним из перспективных проектов, способных заменить транспорт на ископаемом топливе, является водородный двигатель, о которым мы сегодня расскажем.

Немного истории

Водород был открыт еще средневековыми алхимиками, которые получали его в результате реакции железа, меди, олова с серной или соляной кислотами. К концу XVIII века стало ясно, что так появился новый химический элемент – водород, который сперва называли «воспламеняющимся газом». Французский химик Антуан Лоран Лавуазье синтезировал из него и кислорода воду, после чего разложил воду на кислород и водород, пропуская водяной пар над раскаленным железным листом.

В 1801 году патент на двухтактный поршневой водородный двигатель получил профессор Парижской школы мостов и дорог Филипп Лебон. Ранее он уже зарегистрировал право на промышленное производство светильного газа путем пиролиза угля и древесины (им даже освещали улицы), так что недостатка в горючем у него не было. В планах у профессора было оснастить этим двигателем кареты и катера, что наверняка удалось бы, но в 1804-м Лебон ушел из жизни в возрасте всего 35 лет.

Впрочем, идею подхватил, вернее, начал собственные исследования Франсуа Исаак де Риваз, которого история знает как изобретателя первого двигателя внутреннего сгорания. После серии опасных испытаний собственноручно собранного прототипа, в ходе которых инженер едва не погиб, если бы предусмотрительно не спрятался за буфетом, он назвал свое изобретение «взрывным двигателем», убедившись, что эта «взрывная сила способна двигать даже большие телеги». Собравшись покорить мир, в 1804 году он установил свой двигатель на небольшую тележку, и она действительно поехала...

Зимой 1807-го Исаак де Риваз получил на свое изобретение французский патент №731. Он продолжал развивать проект до 1813 года, увеличивая тоннаж ломовой телеги и размеры двигателя. Однако 1 января 1814 года союзные русско-прусские войска перешли границу Франции и в марте взяли Париж. Потом случилась битва при Ватерлоо, за которой последовала вторая реставрация Бурбонов. До изобретения мсье де Риваза уже никому не было дела. Сам инженер умер в 1828 году.

Что было дальше

В период между 1830 и 1870 годами было зарегистрировано около дюжины различных патентов водородного двигателя. Не все они годились для практического применения на «самоходных телегах» либо из-за своей громоздкости, либо из-за низкого КПД. Но один из них, двигатель Этьена Ленуара образца 1860 года, заслуживает отдельного упоминания.

Этот агрегат представлял собой доведенный до совершенства одноцилиндровый двухтактным двигатель Лебона (о котором говорилось выше), имел кривошипно-шатунную передачу и электрическое зажигание – искра в цилиндре появлялась при помощи катушки Румкорфа. Двигатель Ленуара, как и его прародитель, был «атмосферным», а значит, сжатие топлива перед его воспламенением в камере не предусматривалось. Изобретатель успешно продемонстрировал ездовые прототипы двух модификаций «иппомобилей» – экипажей с водородным мотором, способных развивать скорость до 3 км/ч и с запасом хода около 20 км. На практике двигатель Ленуара показал себя безотказным в работе и довольно технологичным при изготовлении. По данным различных источников, всего было построено от трех сотен до нескольких тысяч единиц таких водородных моторов.

В середине 1880-х появляются ДВС современного типа, которые способны работать на жидком топливе (керосине, а позже и бензине). По этой причине инженерам больше не нужно было изобретать собственный двигатель, а лишь адаптировать уже имеющийся под газообразное топливо, в том числе водородное. Увы, на практике это выглядело чудовищно: огромные прорезиненные мешки, похожие на аэростаты, помещались у машин на крыше, выполняя функцию топливной емкости. Надо ли говорить, что в то время данная технология не прижилась.

Тем не менее жидкой водород как вид транспортного топлива не исчез. С 1920-х годов химически чистый водород использовался в ДВС на дирижаблях графа Цеппелина. А в блокадном Ленинграде в 1941 году Борис Исаакович Шелищ адаптировал двигатели серийных «полуторок» ГАЗ-АА, перевозивших, поднимавших и опускавших аэростаты заграждения, на питание водородно-воздушной смесью из аэростатов, потерявших плавучесть. За это изобретатель был удостоен ордена Красной Звезды.

После Второй мировой войны появились реактивные двигатели на жидком водороде, в основном ракетные, в том числе в виде маршевых двигателей космических челноков. «Благоприятным» для очередного витка в развитии водородных двигателей считается начало 1970-х – время нефтяного эмбарго, инициированного Саудовской Аравией. Тогда многие автобренды принялись развивать собственные проекты на альтернативном топливе.

К примеру, Mazda представила свой вариант водородного автомобиля с использованием двухроторного двигателя Ванкеля, который мог переключаться с водорода на бензин и обратно (всего в истории марки значится восемь таких попыток). В 2003 году японский бренд даже нашел применение этой технологии в автоспорте, представив купе RX-8 Hydrogen RE.

Другие мировые производители тоже не отставали, отметившись либо мелкосерийными проектами, либо действующими, но дорогостоящими концептами. Так, первым современным разработчиком, представившим собственный двигатель для автомобиля, работающий на водороде, стал концерн Toyota, выпустивший в 1997 году внедорожник FCHV. Впоследствии другие видные представители автопрома представили свои прототипы автомобилей, автобусов, вспомогательного автотранспорта с водородными двигателями. Но лишь несколько из них ушло в серию: Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo, Mercedes-Benz GLC F-CELL и BMW Hydrogen 7.

Водородные моторы внутреннего сгорания

Сегодня водород применяется в силовых агрегатах двух видов. В ДВС первого типа из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки. В водородном двигателе благодаря мгновенному воспламенению газа удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4 атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется. После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер – устройство, обеспечивающее отделение водорода от воды для последующей реакции с кислородом. Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло. Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Моторы на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента оснащен мембраной, которая проводит только протоны, и электродной камерой, где находятся катод и анод. В анодную секцию подается водород, в катодную камеру – кислород. На электроды же наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, это платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода. Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так образуется ток для питания двигателя.

Достоинства и недостатки

Среди очевидных плюсов водородной технологии стоит отметить экологичность, доступность топлива (при необходимости можно даже использовать сточную воду), минимальный уровень шума, лучшие показатели мощности по сравнению с традиционными ДВС и обширную область применения (ж/д, морской и автомобильный транспорт, грузоперевозки, авиация). Однако главным камнем преткновения в развитии водородных технологий является высокая стоимость материалов. Ведь в качестве катализатора здесь используется платина, стоимость которой для рядового автовладельца очень высока. Кроме того, извлечение водорода из воды в настоящий момент технически сложно и требует больших энергозатрат, что делает производство сырья нерентабельным для автокомпаний.

Добавим сюда дорогостоящую модернизацию существующих ДВС, увеличение массы авто из-за мощных дополнительных АКБ и преобразователей, а также потенциальную опасность пожара – и сами ответим на вопрос, почему человечество до сих пор поголовно не ездит на водородных автомобилях. К слову, вопрос хранения водорода как топлива до сих пор не решен: мнения технологов разделились примерно поровну в пользу газа под высоким давлением и в сжиженном виде. А это существенно тормозит развитие сопутствующей инфраструктуры, особенно АЗС.

***

Тем не менее перечисленные выше недостатки вовсе не ставят на водородной энергии крест. К примеру, в настоящий момент в Китае установлено 275 водородных заправок, а к 2025 году планируется ввести в эксплуатацию не меньше тысячи. Там уже успешно используется несколько тысяч водородных автобусов и грузовиков, а большинство автомобильных компаний, выпускающих персональные автомобили, активно участвует в разработке силовых установок на водороде. Первым брендом, представившим серийный автомобиль на водороде этим летом, стал Changan Auto. В будущем мы более подробно расскажем вам о серийных автомобилях, использующих данный вид топлива.