Свойства и применение водорода в качестве автомобильного топлива

Водород является одним из перспективных видов топлив как для современных ДВС, так и для энергетики будущего. При сгорании водорода в двигателе образуется чистый водяной пар без оксидов углерода, сажи и дыма. Водород можно было бы считать идеальным топливом, учитывая его высокую теплоту сгорания, неиссякаемые запасы, экологичность, но эти положительные свойства водорода при использовании его в качестве автомобильного топлива имеют и обратную сторону.

Теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг, что превышает массовую теплоту сгорания нефтяных топлив. Однако вследствие малой плотности водорода его объемные энергетические характеристики хуже, чем у бензинов и дизельных топлив. Для сгорания 1 кг водорода требуется почти втрое больше кислорода. Следовательно, теплота сгорания единицы объёма стехиометрической водородо-воздушной смеси ниже, чем у жидких и газообразных углеводородных топлив. То есть при внешнем смесеобразовании, типичном для бензиновых ДВС, и одинаковом КПД мощность водородного двигателя будет на 20 % меньше, чем у бензинового или газового. Низкая теплота сгорания водородовоздушной смеси обусловлена большим удельным объёмом водорода, поэтому если подавать водород в цилиндр после закрытия впускного клапана, тот соотношение газов можно оптимизировать. Это предполагает хранение и подачу водорода под давлением и специальную конструкцию системы подачи топлива.

Водород хорошо смешивается с воздухом и обладает высокой воспламеняемостью. Концентрационный диапазон воспламеняемости смесей водорода с воздухом составляет 4-75 % об. Водород с кислородом образует взрывоопасную смесь - гремучий газ, поэтому при использовании водорода в ДВС необходима полная герметизация топливоподающей системы.

Тезис о полной безвредности отработавших газов водородного двигателя также требует некоторой корректировки. Действительно, при сжигании водорода в кислородной среде образуется только водяной пар. Однако, при сгорании водородовоздушных смесей в ДВС окисляется атмосферный азот, образуя оксиды азота. Их количество может оказаться даже выше, чем в случае бензинового двигателя (при прочих равных условиях) в связи с более высокими температурами в зоне горения. Следует также отметить расход масла на угар.

Наиболее сложной задачей при использовании водорода в качестве моторного топлива является хранение расходного запаса водорода на борту автомобиля. Принципиально возможны три способа хранения водорода:

-в сжатом виде в баллонах высокого давления;

-в сжиженном виде при температуре ниже критической в криогенных баллонах;

-в химически связанном виде в составе соединений, легко разрушающихся с выделением водорода. Такие соединения получили название энергоносителей. В качестве энергоносителей предложены гидриды некоторых металлов. При подогреве гидридов, что может осуществляться на борту автомобиля, выделяется газообразный водород и направляется в систему топливоподачи двигателя. В случае прекращения топливоподачи выделение водорода прекращается, что обеспечивает достаточно высокую пожаро- и взрывобезопасность эксплуатации автомобиля с гидридным аккумулятором.

Водород может быть получен из природного газа (метана) путем его частичного окисления и конверсии с водяным паром. Применяется также технология получения водорода, основанная на электролизе воды, но она требует большого количества электрической энергии.