Водородный генератор для автомобиля¶

Водородный генератор для автомобиля — устройство, предназначенное для производства водорода (чаще всего на борту транспортного средства) с последующей подачей его в систему питания двигателя внутреннего сгорания в качестве дополнительного топлива или присадки, улучшающей процесс сгорания основного топлива. В автомобильной практике под водородным генератором, как правило, понимают электролизёр, работающий на воде, либо химический (реактивный) генератор, вырабатывающий водород без внешнего электроснабжения.

¶Принцип работы

Большинство автомобильных водородных генераторов работают по принципу электролиза воды — разложения воды (H₂O) на водород (H₂) и кислород (O₂) под действием постоянного электрического тока. Устройство состоит из электролизной камеры с набором электродов (пластин), погружённых в электролит (вода с добавлением гидроксида натрия, гидроксида калия или иного электролита), системы подачи воды, обратного клапана и шланга, отводящего газовую смесь во впускной коллектор двигателя.

Образующийся газ — смесь водорода и кислорода, которую в среде водородных энтузиастов часто называют «газом Брауна» (по имени инженера Дэвида Брауна, популяризировавшего идею в 1990-х годах). Газ подаётся во впускной коллектор и смешивается с воздухом, попадая в цилиндры двигателя. Водород сгорает, добавляя энергии к сгоранию основного топлива (бензина, дизельного топлива или газа).

¶Химический генератор

Кроме электролизных устройств существуют химические генераторы, в которых водород выделяется в результате реакции определённых веществ с водой — например, карбида кальция (CaC₂) или гидридов металлов. Такие генераторы не потребляют электроэнергию бортовой сети, но требуют регулярного пополнения расходных материалов и сложнее в регулировке интенсивности выработки газа.

¶Классификация

По способу получения водорода автомобильные генераторы подразделяются на:

• Электролизные — работают от бортовой сети автомобиля, разлагают воду электрическим током.
• Химические — вырабатывают водород в результате химической реакции без затрат электроэнергии.
• Топливные элементы (водородные топливные элементы) — электрохимические устройства, непосредственно преобразующие энергию химической реакции водорода с кислородом в электрическую. В отличие от генераторов, подающих водород в ДВС, топливные элементы являются самостоятельными силовыми установками (пример — Toyota Mirai, Hyundai Nexo).

По назначению:

• Дополнительные (присадочные) — генератор подключается к штатному двигателю внутреннего сгорания и дополняет работу основного топлива.
• Основные — водород является единственным видом топлива (так работают водородные топливные элементы и гибридные установки).

¶Обоснование и заявляемые эффекты

Продавцы и сторонники установки водородных генераторов на автомобили с ДВС заявляют о следующих эффектах:

• снижение расхода топлива (обычно называют цифры 10–30 %);
• снижение токсичности отработавших газов за счёт более полного сгорания топлива;
• уменьшение нагара на клапанах и в камере сгорания;
• снижение детонации и более мягкая работа двигателя.

Теоретическая основа этих утверждений состоит в том, что водород обладает высокой скоростью распространения пламени (около 3 м/с в нормальных условиях против 0,3–0,4 м/с у бензиновоздушной смеси) и широким диапазоном воспламеняемости, что теоретически способствует более быстрому и полному сгоранию основного топлива.

¶Критика и научная позиция

Научное и инженерное сообщество относится к установке водородных генераторов на штатные двигатели внутреннего сгорания преимущественно скептически. Основные аргументы критиков:

• Закон сохранения энергии. Электроэнергия, затрачиваемая на электролиз воды, вырабатывается генератором автомобиля, который приводится двигателем. То есть часть энергии топлива расходуется на производство водорода, который затем сгорает, возвращая лишь часть затраченной энергии. КПД такого цикла неизбежно меньше единицы, поэтому суммарная тяга не может увеличиться.
• Незначительный объём газа. Производительность бытового автомобильного электролизёра невелика — обычно единицы-десятки литров газа в минуту, что составляет доли процента от объёма воздуха, потребляемого двигателем.
• Отсутствие достоверных независимых исследований. Крупные автопроизводители не используют подобные схемы, а независимые тесты, как правило, не подтверждают заявленную экономию топлива.

В ряде стран установка подобных устройств может рассматриваться как несанкционированное вмешательство в конструкцию транспортного средства и влиять на условия гарантии.

¶Водородные топливные элементы в автомобилестроении

Отдельной областью является использование водорода в качестве основного топлива через топливные элементы. В России разработками в этой области занимается, в частности, НАМИ (Государственный научный центр), на базе которого созданы опытные образцы автобусов и легковых автомобилей с топливными элементами. Серийное производство водородных автомобилей с топливными элементами налажено в Японии (Toyota Mirai), Южной Корее (Hyundai Nexo) и частично в Европе.

¶Правовое регулирование в России

В Российской Федерации модификация конструкции транспортного средства, включая установку дополнительного оборудования, влияющего на систему питания двигателя, подлежит согласованию в установленном порядке. Самовольная установка водородного генератора без внесения изменений в документы на транспортное средство может повлечь отказ в прохождении технического осмотра и административную ответственность.

¶Историческая справка

Идея использования водорода в двигателях внутреннего сгорания имеет давнюю историю. В 1807 году швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил один из первых двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде. В 1970-х годах, на фоне нефтяного кризиса, интерес к водороду как альтернативному топливу возобновился, в том числе в СССР, где проводились работы по водородным двигателям для транспорта.

Источники:

• ГОСТ Р 56177-2014 «Водород энергетический. Топливные элементы электрические. Общие технические условия»
• Материалы Государственного научного центра РФ — НАМИ
• Публикации журнала «Наука и жизнь» о водородной энергетике
• Открытые патентные описания по электролизным устройствам для автомобилей