Автомобиль и водород – что между ними может быть общего?

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.
Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1). Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.
В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).
В природе встречаются изотопы водорода: 1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью.
Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы. Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).
Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069; незначительно растворяется в воде (в 100 объемах H2O растворяется 2 объема H2). Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

1.Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl₂ +H₂↑

2.Взаимодействие щелочных и щ-з металлов с водой:
Ca +2H₂O → Ca(OH)₂ +H₂↑

3.Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H₂O → NaOH +H₂↑
СаH₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н₂SO₄ или Na₂SO₄. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H₂O → 2H₂+О₂

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000 о С:
С + H₂O → CO + H₂
CO +H₂O → CO₂ + H₂

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

3. Нагреванием метана до 350°С в присутствии железного или нике­левого катализатора:
СH₄ → С + 2Н₂↑

4. Электролизом водных растворов KCl или NaCl, как побочный продукт:
2Н₂О + 2NaCl→ Cl₂↑ + H₂↑ + 2NaOH

Химические свойства водорода

• В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
• Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщен­ной пары электронов Н:Н или Н₂
• Благодаря этому обобщению электронов молекула Н₂ более энергети­чески устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н₂ = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
• Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
• Со многими неметаллами водород образует газообразные соедине­ния типа RН₄, RН₃, RН₂, RН.

1) С галогенами образует галогеноводороды:
Н₂ + Cl₂ → 2НСl.
При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2Н₂ + О₂ → 2Н₂О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н₂ и 1 объема О₂ называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серойь(значительно труднее с селеном и теллуром):
Н₂ + S → H₂S (сероводород),

4) С азотом с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН₂ + N₂ → 2NН₃

5) С углеродом при высоких температурах:
2Н₂ + С → СН₄ (метан)

6) С щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды (водород – окислитель):
Н₂ + 2Li → 2LiH
в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na + H — построен подобно хлориду Na + Cl —

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H₂ → Cu + H₂O
Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4Н₂О

8) с оксидом углерода (II):
CO + 2H₂ → CH₃OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН₃ОН и другие.

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
С_nН_2n + Н₂ → С_nН_2n+2.

Водород: автомобильные превращения

Дайана и Джошуа надеются, что водяных выхлопов им хватит на преодоление Долины Смерти. Впрочем, думаю, смерть им не угрожала в любом случае: ведь кто-то же снимал их заезд, и вряд ли у оператора не было с собой канистры с водой!

В одородным автомобилям не нужны аккумуляторы и розетки, зато необходим запас водорода на борту. Ну, или некоего топлива, которое в этот самый водород могло бы превращаться. Далее, самый легкий на свете и экологически чистый газ превращается в электрический ток, выдавая на «выхлопе» водяной пар. (На самом деле, это – идеальная картина, когда в качестве окислителя используется чистый кислород. В случае воздуха образуются небольшие количества окислов азота).

Ford Fusion Hydrogen 999 разогнался на соляном озере Бонневиль до 295 км/ч. Вроде, не так уж быстро, но тормозит почему-то при помощи парашюта. Возможно, просто сэкономили на керамических тормозах, таких, например, как на Bugatti Veyron, тормозящей вполне традиционным способом с 400 км/ч.

В общем, и все бы ладно, да только уж очень дорогие эти самые топливные элементы большой мощности. Эксперты консалтинговой фирмы Roland-Berger оценили маркетинговые перспективы водородомобилей и пришли к неутешительному выводу: даже, если к 2025 году себестоимость топливных элементов и снизится на 80%, этого вряд ли хватит для прорыва новинки на массовый рынок. Ибо сегодня такая установка обходится в 45 000 евро на автомобиль!

Hydrogen АЗС в Калифорнии: Нужен сжатый водород? Если вы в Калифорнии, вам сюда и… никуда больше!

Примерно 45% цены топливных элементов приходится на платиносодержащие мембраны. И даже при масштабах выпуска в 300 000 водородных авто в год, одни эти мембраны будут стоить около 2500 евро. Если же каким-то чудом удастся ограничить расход платины в одном авто до 15 г, то, может быть, мембраны обойдутся в 1000 евро. Вот только найдется ли в мире столько платины? И не взлетит ли ее стоимость до небес при таком спросе?

BMW Hydrogen 7 Fahrzeugubergabe: Слева в белом «термосе» плещется водород при температуре близкой к абсолютному нулю. И, кстати, потребляет энергию на ее поддержание! А вот заправляемая BMW к топливным элементам отношения не имеет: баварцы решили просто сжигать водород в цилиндрах вместо бензина. На выходе все равно тот же пар!

Впрочем, на Roland-Berger свет клином не сошелся. Доктор Клаус Бонхофф из национальной организации по водородным и топливно-элементным технологиям (Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie – NOW) считает, что к 2020 году цена водородомобиля сравняется с таковой дизель-гибридного авто. Правда, положа руку на сердце, разве гибридам удалось стать по-настоящему массовыми?

На Женевском автосалоне 2014 гибриды и электромобили в виде концептов и живыми предлагают почти все мировые производители.

Само собой, ученые активно работают над новыми катализаторами. Так, международной исследовательской команде из института Пауля Шеррера удалось создать аэрогель на основе сплава платины с палладием, обладающий впятеро более высокой активностью. Но до серийной зрелости новой технологии еще очень далеко.

В общем, аналитики Roland-Berger вынесли вердикт: «В обозримом будущем главные роли в электромобилях будут исполнять все же батарейные и гибридные машины».

Буква «H» в номерном знаке ориентирует на водород. Но пока доминирует «Е» — электричество.

Но это – аналитики. То ли они не все знают, то ли автопроизводители делают хорошую мину при плохих картах, но вот Toyota, например, на недавней электронной выставке в Лас-Вегасе пообещала выпустить в продажу для частников первые водородомобили уже в 2015 году. И сделать это не в Токио, а в Калифорнии. Что понятно: аборигены там настолько одержимы экологией, что, как считают японцы, за ценой не постоят!

FCV означает Fuel Cell Vehicle, то есть, авто на топливных элементах. Но пока более важно слово concept, не требующее перевода. Правда, это уже не муляж — «оно» ездит!

BMW Hydrogen 7 Fahrzeugubergabe: Шланг с жидким при — 250 водородом в руках удержать трудно, так что тросик не помешает…

А вот Daimler уже сдвинул сроки исполнения аналогичных обещаний на 2017 год, причем теперь намерен объединить усилия с Ford и Nissan.

Это будет хороший знак, если «Фольксваген Гольф» начнет выписываться с привычных АЗС.

Правда, можно, например, превращать в водород метанол прямо на борту. Но, интересно, разрешат ли санитарные врачи, запрещающие метанол даже в омывайках, заливать его в чистом виде десятками литров в «бензобаки»? В принципе, есть и технологии получения водорода и из бензина, но это уже вообще маразм и игры разума, не более.

КАКИЕ ЛЮДИ В ГОЛЛИВУДЕ!

Дайана и Джошуа надеются, что водяных выхлопов им хватит на преодоление Долины Смерти. Впрочем, думаю, смерть им не угрожала в любом случае: ведь кто-то же снимал их заезд, и вряд ли у оператора не было с собой канистры с водой!

Вы не поверите, но Дайана Крюгер и Джошуа Джексон уже пару лет как ежедневно катаются по Калифорнии на водородомобиле Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL. И не только они – таких авто бегает уже 70 штук! Вместе они преодолели 1 600 000 км и сберегли 113 500 л ископаемого топлива, не выпустив в атмосферу 270 т СО2. Кстати, взгляните на ролик https://www.youtube.com/watch?v=aj0-eAAmvxk&feature=youtu.be , в котором они храбро пустились в двухдневный путь через раскаленную до +50 Долину Смерти, приладив к выхлопной трубе бачок для сбора воды. И потом храбро не только пьют эту воду, но и готовят на ней еду. Если бы не «выхлопы», это был бы реально смертельный номер! «Заправиться за 3 минуты, проехать 400 км и ничего не выбросить в атмосферу – это здорово!», — говорит Дайана. Не говорит только, где это можно заправиться за 3 минуты. То есть, где ЕЩЕ, кроме Калифорнии и пары-тройки таких АЗС.

В Японии водород получают из воды прямо на месте за счет солнечных батарей. Но их эффективность такова, что эта АЗС произведет достаточно Н2 для заправки авто за весьма долгое время, В общем, кто первый встал, того и тапки!

Если же не зацикливаться на конкретных марках, то можно насчитать на дорогах мира «аж» 200 водородомобилей, один из которых разменял на одометре 315 000 км.

— Чем топить будете?, — спросил недавно российский Президент западных предпринимателей. В ответ они только посмеялись!

Что такое двигатель на водородном топливе, как собрать его своими руками

Дата публикации: 23 сентября 2019

Сто лет назад количество машин на Земле исчислялось тысячами. Сегодня у каждого седьмого человека есть автомобиль. Многие геологи считают, что в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и всего остального, сделанного из нефти) начнут сокращаться. Если это произойдет, откуда получать топливо?

Двигатель на водородном топливе

Есть две перспективы. Первая (краткосрочная) — необходимо добиться большей эффективности использования нефтетоплива, долгосрочная — решением может стать переключение транспортных средств с бензиновых/дизельных двигателей на электрические топливные элементы (электрохимические генераторы), работающие на водороде, которые никогда не разряжаются. Бесшумные, не загрязняющие окружающую среду, это одни из самых экологически чистых источников энергии, когда-либо разработанных. Разберёмся, как они работают.

Есть два способа заставить современный автомобиль двигаться:

1. Использовать двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В процессе сжигания нефотетоплива вырабатывается тепло, благодаря чему транспортное средство может ехать.
2. Электромобили работают совершенно по-другому. Там используются аккумуляторы, которые подают электроэнергию на электродвигатели, напрямую приводящие в движение колеса.

Есть гибридные автомобили, сочетающие оба варианта, водитель может переключатся между ними в соответствии с условиями вождения. Устройство водородного двигателя — нечто среднее между ДВС и аккумулятором. Он вырабатывает энергию, используя топливо из бака (газообразный водород под давлением, а не бензин или дизель). Процесса сжигания нет, H2 химически соединяется с кислородом из воздуха, образуя воду. Высвобождаемое электричество используется для питания электродвигателя. Никаких выхлопных газов.

Что происходит внутри

В основе принципа действия водородного двигателя лежит электрохимическая реакция. Состав топливного элемента — это три основные части:

• положительно (желтая) и отрицательно (сиреневая) заряженные клеммы;
• электролит (серый).

Электричество возникает следующим образом:

1. Газообразный H2 из резервуара подаётся к положительному полюсу. Поскольку вещество взрывоопасно, бак должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (голубые капли) идёт по второй трубке.
3. Положительная клемма металлическая (платина или палладий). Достигая катализатора, атомы H2 распадаются на ионы и электроны.
4. Положительно заряженные протоны притягиваются к отрицательному полюсу, двигаясь к нему через электролит. Последний представляет собой тонкую полимерную мембрану.
5. Электроны проходят через внешнюю цепь.
6. Приходит в действие электродвигатель, заставляющий колёса автомобиля двигаться.
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом путём химической реакции, которая производит воду.
8. Выхлоп — водяной пар.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока есть запасы H2 и O2. Поскольку воздух всегда доступен, единственный ограничивающий фактор — количество водорода H2 в баке.

Практическое использование водородного двигателя

Производство водорода H2 путём электролиза требует довольно много энергии. Это проблема, поскольку объём топливного бака придётся увеличить. Облегчить конструкцию можно, если использовать углепластик, что сильно увеличивает стоимость. Другой минус водородных двигателей — водород трудно хранить длительное время, его чрезвычайно маленькие молекулы легко просачиваются, а утечка может привести к возгоранию.

Ещё один отрицательный момент — энергоэффективность, КПД такого движка не превысит 30%, тогда как для электромобилей этот показатель достигает 70-80%. Плюс ко всему трудно найти заправку.

Преимущества тоже есть. Заправить машину можно за 5 минут, тогда как зарядка электромобиля занимает от получаса до 12 часов. У транспортных средств на топливных элементах такой же запас хода, как у обычных газовых машин, хотя их характеристики с возрастом ухудшаются. Но главный плюс — экологичность.

Как сделать водородный двигатель своими руками

Создание генератора водорода — эффективный способом существенного сокращения топливных расходов. Задача — подать в камеру сгорания специальный газ (система Брауна). Ниже приведена простая пошаговая инструкция.

1. Сборка электролита

Используйте 8 электролитических пластин из нержавеющей стали (16×20 см), уложив их друг на друга. У них уже должно быть отверстие сверху. Просверлите еще по одному отверстию толщиной 1 см. Между ними поместите ПВХ проставки (толщиной 3 мм). Стальные пластины не должны касаться друг друга. С помощью винтового соединения скрепите конструкцию.

2. Подготовка пластикового контейнера

Подготовьте ёмкость. Вставьте два длинных винта внутрь крышки, зазоры закройте герметиком. Прикрепите провод к каждому винту, обмотав его вокруг, оставьте снаружи контейнера. Сделайте еще одно отверстие в крышке и вставьте туда резиновый шланг, погрузив его в воду. Другой конец трубки должен открываться в пластиковый корпус воздухозаборника автомобиля.

Нужно будет просверлить отверстие в корпусе, чтобы вставить трубку. Для более прочного соединения используйте фитинги из ПВХ на обоих концах. Налейте дистиллированную воду, заполнив половину объёма. Положите пол чайной ложки соли или полную пищевой соды, хорошо перемешайте.

Поместите электролит из нержавеющей стали в контейнер, убедившись, что он хорошо погружен. Любые промежутки внутри ёмкости должны быть заполнены герметиком, чтобы предотвратить утечку газа. Внутри тары мгновенно образуются пузырьки, газ начал вырабатываться.

3. Подключение к источнику питания

Соедините выводы винтов контейнера с положительными и отрицательными клеммами источника постоянного тока с помощью зажимов. Если провода не обеспечивают убедительного соединения, используйте вместо этого барашковые гайки.

Можно подключить его напрямую к аккумулятору, отрицательный контакт подключается к аналогичному выводу батареи, а положительный — к реле зажигания блока предохранителей. Это необходимо для того, чтобы генератор включался только тогда, когда автомобиль тоже включен.

Сделать полноценный водородный двигатель для автомобиля своими руками не получится, поскольку технология довольно сложная.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.