Открытие водорода приписывают немецкому исследователю Т. Парацельсу (1493—1541 гг.), хотя, наверняка, выделение его при растворении железа в купоросном спирте (H2 SO4) наблюдали издавна. В дальнейшем изучением свойств водорода занимались известнейшие естествоиспытатели мира Г. Кавендиш, М. Ломоносов, А. Лавуазье, Ж. Менье, В. Петров, У. Праут, У. Крукс, Н. Бор и многие другие.
Пожалуй, впервые водород был широко использован в составе светильного газа. Во Франции в 1799 г. запатентовано изобретение газового двигателя, работающего на смеси светильного газа и воздуха с воспламенением от электроискры. В 1841 г. получил патент Б. Джонстон. В созданном им двигателе поршень получал толчок от взрыва гремучей смеси. В поршневом двигателе придворного часовщика из Мюнхена X. Тейтмана (1852 г.) водородно-воздушная смесь сжималась насосом до 2—8 кгс/см2 и воспламенялась электрической искрой. Этот двигатель приводил в действие сверлильный и фрезерный станочки в часовой мастерской. Он работал до 1858 г. и затем был переведен на светильный газ. Двигатели внутреннего сгорания компании «Цеппелин» (Германия), работающие на водороде, использовались для дирижаблей. Испытания проводились в 1928 г. при перелете через Средиземное море.
Большой объем исследовательских и конструкторских работ был выполнен в период 1930—1938 гг. Р. Эрреном, который сконструировал и построил несколько двигателей, работающих на водороде и его смесях с жидкими и газообразными углеводородами. В 1938 г. в Германии работал ряд «эрренизированных» автомашин на трассах между Берлином и Руром. Цель Р. Эррена — приспособить существовавшие тогда двигатели для безопасного и экономичного горения водорода и его топливных смесей с углеводородами — была в основном достигнута. Однако основная проблема — детонация в камере сгорания — оставалась нерешенной.
В 30-е годы В. И. Сороко-Новицким и А. К. Курепиным было исследовано влияние добавок водорода к бензину на работу двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от искры. Эти опыты, выполненные на развернутом двигателе ЗИС-5, показали возможность работы на бедных смесях с повышением эффективных показателей.
В те же годы О. С. Амелькиным и В. П. Стефановским было проведено исследование дизеля при работе с добавками водорода.
До второй мировой войны в Германии использовались автодрезины на водороде. Заправка производилась от электролизеров высокого давления, работающих от электросети и расположенных в специально отведенных местах вдоль железнодорожной колеи.
В начале Великой Отечественной войны Е. К. Корси (СССР) изучал возможность перевода двигателя с воспламенением от искры на водород, выпускаемый из аэростатов заграждения после загрязнения воздухом. На практике такой подход был осуществлен в 1941 г. в осажденном Ленинграде воентехником службы ПВО Б. И. Щелищем, который в качестве топлива применял водород с небольшой примесью воздуха.
После второй мировой войны были опубликованы работы Б. Кинга (Канада) и его сотрудников по вопросам использования водорода в качестве горючего для дизелей.
Однако в них не была решена задача, связанная с устранением детонации в двигателе.
В 60-х годах в СССР и ряде других стран, прежде всего в США, возобновились активные работы по созданию водородного двигателя. В 1968 г. в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР были проведены сравнительные испытания автомобильного двигателя ГАЗ-652 при работе на бензине и водороде. Двигатель не подвергался каким-либо переделкам. Установлено, что при использовании водорода КПД повышается, а нагрев заметно снижается.
На год позже были опубликованы результаты исследований ученых Оклахомского университета (США), где сообщалось о разрешении проблемы предотвращения детонации при работе двигателя на водороде. Конструктивно она была решена инжекцией газообразного водорода в цилиндр двигателя через специальное отверстие в свече зажигания. Этот процесс происходит в конце компрессионного цикла. Такая конструкция дает возможность осуществить двойную топливную систему с работой двигателя на водороде в городе и на бензине вне городской черты.
В 1972 г. в США на испытательном полигоне фирмы «Дженерал Моторе» проводились соревнования городских транспортных средств, в которых участвовало 63 автомобиля с различными системами двигателей, в том числе на аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомобиля на водороде. Последние заняли первое и второе места. Лучшие результаты показал конвертированный на водород автомобиль фирмы «Фольксваген» (ФРГ), в котором отработанные газы были чище засасываемого в двигатель городского воздуха.
До начала 70-х годов при отработке рабочих процессов в двигателях и при создании экспериментальных образцов автомобилей применялся преимущественно баллонный способ хранения водорода, как наиболее простой и технологичный. Созданные баллоны высокого давления (от 10 до 40 МПа) позволяют аккумулировать водород, масса которого составляет от 0,7 до 1,3 % массы емкости. Значительный объем, занимаемый баллонами, и большая масса делают маловероятном применение этого способа хранения на автомобильном транспорте. Так, для аккумулирования 10 кг водорода (это запас топлива, необходимый автомобилю среднего класса для пробега 450 км) потребовалось бы около 20 баллонов общей массой 1200 кг.
Используя высокопрочные материалы и повышая рабочее давление до 75—80 МПа, можно значительно улучшить показатели массы и габаритности. Однако не поддается решению проблема обеспечения безопасной эксплуатации транспортных средств, так как нельзя исключать вероятность разрушения баллонов при аварийных ситуациях, когда возникает ударная волна, которая сопровождается воспламенением газа. Определенные преимущества перед баллонным способом хранения имеет аккумулирование жидкого водорода на борту автомобиля. Если для размещения 45,3 кг водорода, необходимого автомобилю ЗИЛ-130 для пробега 410 км, требуется криогенный бак массой 380 кг, то масса баллонов для хранения газообразного водорода под давлением 10 МПа составит 5300 кг. Автомобиль марки «Датсун-В210» (Япония) с криогенным баком участвовал в ралли 1975 г. на дистанции 2800 км. Масса бака, в котором хранилось 16,3 кг водорода, составляла 120 кг, что соответствует 7,35 кг массы бака на 1 кг водорода. Есть мнение, что можно создать более легкий автокриогенный бак при соотношении его массы и водорода 4,5: 1. Конечно, надо учитывать повышенные динамические нагрузки, вызываемые неровностями дорог и аварийными ситуациями, причем конструкционные материалы должны быть доступными для широкого использования.
Водород может храниться на борту транспортного средства и в химически связанном состоянии в виде соединений, легко отдающих его при изменении внешних условий. К ним относятся гидриды металлов.
Применяемые в автомобильном транспорте гидриды должны удовлетворять ряду требований: иметь высокое отношение полезной массы водорода к полной массе устройства, содержащего гидрид; быть удобными для зарядки гидридного бака и отбора водорода из гидрида и доступными для массового применения.
В качестве реальных гидридов исследователи рассматривали лантанникелевый сплав LaNi5H6. Полная масса контейнеров, обусловленная общим пробегом автомобиля ЗИЛ-130, будет равна 3620 кг (45,3 кг водорода), то есть 72 % грузоподъемности. К тому же лантанникель довольно дорог. Все это практически исключает его широкое использование на автомобильном транспорте.
Более перспективным оказался гидрид FeTiH2 , он менее дефицитен. Массовое содержание в нем водорода выше, чем у LaNi5H6, и составляет около 2 %. Десорбция водорода осуществляется при сравнительно невысоких температурах. Промышленное производство гидрида налажено, в частности методами порошковой металлургии.
В настоящее время разработаны более легкие высокотемпературные гидриды, например Mg2NiH4, в котором массовое содержание водорода составляет около 4 %, однако их использование ограничено из-за высокой температуры десорбции.
Кратко остановимся на принципе работы металлогидридных схем аккумулирования водорода, используемых для автомобиля. Гидридный аккумулятор представляет собой теплообменник трубчатого типа. Внутри него находятся гидридные патроны, заполненные интерметаллидом, например FeTi, и объединенные общим коллектором. При подогреве гидридного аккумулятора отработавшими газами, проходящими через межтрубочное пространство, из гидридных патронов выделяется водород. Степень подогрева аккумулятора и давление водорода в нем поддерживаются системой электромагнитных клапанов, позволяющих регулировать расход отработавших газов через гидридный аккумулятор. С целью исключения выноса мелкодисперсного порошка гидрида в трубопроводы и далее в систему питания и двигатель в головной части патрона устанавливается сетчатый фильтр.
Выше были рассмотрены основные способы аккумулирования водорода для автомобиля. Однако при определенных условиях очень перспективными могут стать жидкие водородосодержащие соединения, такие, как метанол, аммиак, метилциклогексан и другие.
Швейцарские и английские специалисты разработали реактор на 50 л, который был установлен на грузовике «Саурер». Шестицилиндровый дизель был переведен на водородное топливо, которое вырабатывалось в реакторе. Водород получался в результате ускоренного (катализированного) крекинга метилциклогексана, представляющего собой жидкость, похожую на нефть и проходящую над катализатором при температуре 673 К. В состав катализатора входят благородные металлы — платина и рений. В реакторе 17 кг метилциклогексана превращаются в 16 кг толуола, из которого и получают водород. Цикл превращения метилциклогексан — толуол — водород является технически отработанным процессом.
Для обеспечения работы парка автомобилей с такой системой питания необходимо создать сеть «газовых станций», на которых бы осуществлялось обратное превращение толуола в метилциклогексан. Этот процесс может быть осуществлен в присутствии катализатора гидрогенизацией толуола. Водород, который необходим для этой цели, можно получить электролизом, используя электроэнергию в часы, свободные от пиковых нагрузок.
Итак, многочисленные исследования показали, что автомобильные двигатели могут работать на водороде, который имеет ряд преимуществ перед другими топливами. У него высокая удельная теплота сгорания, хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур, высокие скорость и полнота сгорания, что дает возможность увеличить КПД цикла.
Таблица 4
Сравнительные характеристики моторных свойств водорода и бензина
*α — коэффициент избытка воздуха.
Это позволяет выполнять качественное регулирование рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС), обеспечить стабильность его протекания на всех режимах. Очень важно, что можно осуществить легкий запуск двигателя при любых возможных температурах окружающей среды.
В табл. 4 приведено сравнение моторных свойств водорода и бензина. Для реализации преимущества работы на водороде автомобильных двигателей необходимо внести ряд изменений в их конструкцию. Нельзя забывать и об относительно высокой (по сравнению с бензином) стоимости водорода на сегодняшний день. Поэтому в последние годы получило развитие другое направление — использование водорода в смеси с углеводородными топливами и, в первую очередь, с бензином. Это открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации современного бензинового двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения тепловой экономичности, резко снизить уровень токсичности отработавших газов и существенно уменьшить расход бензина.
Рис. 2. Влияние добавки водорода на октановое число (0,4) товарных бензинов.
Как показали исследования, проведенные в Институте проблем машиностроения АН УССР, при питании бензином с постоянной 5 %-ной добавкой водорода по массе от суммарного расхода топлива двигателей ГАЗ-24 и ВАЗ-2101 их максимальная мощность соответствует уровню мощности базового двигателя.
При этом на 30 % снижается расход бензина, существенно уменьшается эмиссия оксидов углерода и углеводородов и повышается топливная экономичность.
Из полученных результатов следует, что 5 %-ная добавка водорода увеличивает детонационную стойкость товарных бензинов на 8—10 пунктов по шкале октановых чисел, а 10 %-ная — на 13—15 пунктов (рис. 2). Иными словами, добавляя водород, можно отказаться от использования высококачественных бензинов АИ-93, АИ-98, имеющих присадки свинца, и потреблять более дешевые сорта топлив.
Автомобильный транспорт, наряду с черной и цветной металлургией, химической промышленностью и энергетикой, является одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Ныне на планете насчитывается около 350 млн автомобилей, суммарная номинальная мощность которых более 30 млрд кВт, что превышает установочную мощность всех электростанций мира. Ежегодно они выбрасывают в атмосферу 300 млн т окиси углерода, 60 млн т углеводородов, 30 млн т окислов азота.
Каждый автомобиль при годовом пробеге 15 тыс. км потребляет 4350 кг кислорода и выделяет 3250 кг двуокиси углерода, 530 кг окиси углерода, 93 кг различных углеводородов и 27 кг окислов азота. В городских условиях 80 % выбросов углеводородов и до 65 % окислов азота приходится на автомобильные двигатели.
