ТЕХНОЛОГИЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ  ВОДОРОДНОГО  ТОПЛИВНОГО  ЭЛЕМЕНТА

Петров  Сергей  Васильевич

студент  4  курса,  кафедра  Эксплуатация  автомобильного  транспорта  и  автосервиса  ФГАОУ  ВПО  СВФУ  им.  М.К.  Аммосова 
РФ,  г.  Якутск

E-mail:  dirin23@mail.ru

Андреева  Лидия  Семеновна

научный  руководитель,  старший  преподаватель  СВФУ, 
РФ,  г.  Якутск

Петров  Николай  Вадимович

научный  руководитель,  доцент  канд.  техн.  наук  СВФУ, 
РФ,  г.  Якутск

Целью  данного  исследования  является  обеспечение  работоспособности  двигателей  внутреннего  сгорания,  работающих  на  бензине,  при  переводе  на  водородное  топливо,  путем  изменения  регулировочных  параметров  ДВС.

Изменение  угла  подачи  топливо,  могло  существенно  снизить  выбросы  отработавших  газов  таких  как,  СО,  NO,  СН,  R_XСHO,  Сажа,  SO₂  и  Н₂S,  это  способствовало  снизить  потребность  топливо.

И  передо  мной  поставлены  следующие  задачи:

1.  Изготовить  топливный  элемент,  получить  необходимый  водород.

2.  Переоборудование  бензинового  двигателя  на  водородное

3.  Измерить  выхлопы  отработавших  газов.

4.  Оценка  экономического  эффекта  от  эксплуатации.

5.  Разработка  технологической  линии  водородной  заправочной  станции.

Качественное  влияние  на  рабочий  процесс  ДВС  водорода  определяется,  прежде  всего,  его  свойствами.  Он  обладает  более  высокой  диффузионной  способностью,  большей  скоростью  сгорания,  широкими  пределами  воспламенения.  Энергия  воспламенения  водорода  на  порядок  меньше,  чем  у  углеводородных  топлив.  Реальный  рабочий  цикл  определяет  более  высокую  степень  совершенства  рабочего  процесса  ДВС,  лучшие  показатели  экономичности  и  токсичности.

Водород  имеет  более  высокую  теплоту  сгорания  –  120  МДж/кг,  в  то  время,  как  бензин  –  всего  42  МДж/кг.

Основные  преимущества  генератора  водорода:

·     водород  совместим  с  существующей  базовой  конструкцией  поршневого  ДВС,

·     водород  кардинально  улучшает  экологическую  характеристику,  практически  неограниченная  сырьевая  база,

·     превосходит  традиционные  углеводородные  топлива  в  2,5–3  раза,  спирта  –  в  5–6  раз,  аммиака  –  в  7  раз.

Основные  недостатки:

·     Технология  получения  водорода  очень  взрывоопасна.

·     Требуется  больше  электроэнергии,  электроды  должны  быть  высококачественной  нержавеющей  стали.

·     Особая  условия  хранения,  из-за  низкой  плотности  газа  быстро  улетучивается.

·     Требуется  большие  тяжелые  газобаллоны  из-за  чего  снижается  КПД  автомобиля.

·     Требуется  сложнейшие  инфраструктуры  для  хранения  газа,  заправка  и  аккумулирования,  для  нормального  рабочего  процесса  двигателя.

Процесс  изготовления  водородного  топливного  элемента  весьма  трудоемкий,  мы  занимаемся  взрывоопасным  газом,  короткие  замыкания  могут  привести  к  взрыву.  Водород  не  имеет  запаха  и  цвета,  из-за  низкой  плотности  он  быстро  улетучивается.  Температура  возгорания  водорода  составляет  2800  ,  следует  отметить,  что  из-за  этого  имеются  сложности  в  подборе  материалов.

Экспериментальная  часть.

Для  изготовления  топливного  элемента  нами  взяты  следующие  материалы:  оцинкованная  сталь,  нержавеющие  болты  и  гайки,  кабель  акустический  красно  –  черный  01  –  6104  2  0.75  мм²,  четыре  оргстекла  16  см,  диэлектрический  материал  -  резина,  канистра  20  л,  если  использовать  металлические  канистра  то  нужно  под  топливным  элементом  нужно  поставить  изолятор,  чтобы  не  было  коротких  замыканий,  штуцеры,  компрессор  низкого  давления  КПП  –  230  –  24,  компрессор  высокого  давления  МСН  –  10,  газовый  баллон  на  10  л  аккумулятор  на  12  В  и  хлорид  натрия  NаСI.

Рисунок  1  самодельный  топливный  элемент:  1  –  листы  оцинкованной  стали,  2  –  болты  и  гайки  12  шт.,  3  –  резины,  4  –  оргстекло  4  шт.

Чтобы  избежать  детонации  газа  в  генераторе  водорода,  трубы  из  канистры  должны  поступать  в  другой  контейнер,  который  наполовину  заполнен  водой.  Теперь,  если  происходит  возгорание  на  выходе,  пламя  не  может  проникнуть  обратно  через  баробарьер.  Это  устройство  необходимо,  чтобы  не  было  детонации  газа.

В  качестве  электрода  мы  используем  оцинкованные  стали,  электроды  должны  чередоваться  друг  против  друга  по  соответствующей  полярности  анода  и  катода.  Расстояния  между  электродами  должно  быть  не  более  4  мм,  и  ни  в  коем  случае  не  должны  соприкасаться  друг  с  другом,  если  случится  соприкосновение  между  электродами,  может  произойти  короткое  замыкание,  это  спровоцирует  цепную  реакцию.  Во  избежание  взрыва,  между  электродами  должны  располагаться  диэлектрические  материалы,  резина  или  стекловолокно,  они  не  должны  препятствовать  пузырькам  газа.  На  рисунке  1  показан  общий  вид  электролизера  в  сборе.

Для  получение  достаточного  объема  водорода  изготовлена  два  топливных  элементов,  сырьем  служит  дистиллированная  вода,  обычная  водопроводная  вода  очень  жесткая,  в  процессе  электролиза  воды  электроды  моментально  ржавеют.  Со  временем  электроды  постепенно  ржавеют,  этот  процесс  называется  диссоциация  –  распад  сложных  химических  соединений  на  составляющие  компоненты  и  /или  элементы.  В  процессе  электролиза  воды  разрушается  ионная  связь  между  атомами  водорода  и  кислорода.  Атом  водорода  движется  в  сторону  катода  (  -  ),  а  атом  кислорода  движется  к  аноду  (  +  ),  создается  гремучий  газ,  что  вызывает  взрывоопасность.  При  повышении  температуры  окружающей  среды,  гремучий  газ  под  давлениям  может  самовоспламениться,  такое  развитие  события  неприемлемо.  Рабочие  условия:  температура  окружающего  воздуха,  от  0С  до  +35  С.

На  этом  рисунке  2  показан  собранный  топливный  элемент.

Рисунок  2.  Собранный  электролизер

В  качестве  объекта  для  исследований  в  наших  экспериментах  планируется  задействовать  двигатель  ЗИЛ-431610,  который  планируется  переоборудовать  на  водород.  Двигатель,  бензиновый  V-  обр.  8  –  цилиндровый  100х95  мм,  6.0  л,  степень  сжатия  7.1.  порядок  1-5-4-2-6-3-7-8,  мощность  110  кВт  (150  л.с.)  при  3200  об/мин,  крутящий  момент  402  Н-м  (41  кгс  –  м),  топливный  насос  Б10  –  диафрагменный,  карбюратор  К  –  90  с  экономайзером  принудительного  холостого  хода  или  К-96,  К  –  88  АТ,  К-88АМ,  воздушный  фильтр  –  инерционной-  масляный  ВМ  -16  или  ВМ  –  21.

Электрооборудование:  напряжение  12.  В,  ак  батарея  6СТ  –  90  ЭМ,  генератор  32.3701  с  регулятором  напряжения  201.3702,  стартер  СТ230  –  К1,  распределитель  зажигания  46.3706  с  центробежным  и  вакуумным  регуляторами,  катушка  зажигания  Б114-Б,  транзисторный  коммутатор  ТК102-А,  свеч  зажигания  А11.  На  часть  автомобилей  может  устанавливаться  бесконтактная  система  зажигания.

Заправочные  объемы  и  рекомендуемые  эксплуатационные  материалы.  Топливный  бак  170  л,  бензин  А  –  76,  система  охлаждения  –  26  л,  вода  или  тосол  –  А40,  А65;  система  смазки  двигателя  –  8.5  л,  всесезонно  до  минус  30  масло  М  –  6/10В  (ДВ  –  АС3п  –  10В)  и  М  –  8В,  при  температурах  ниже  минус  30    масло  АС3п  –  6  (М-4/6В);  гидроусилитель  рулевого  управления  –  2.75  л,  всесезонно  масло  марки  Р;  коробка  передач  –  5.1  л,  всесезонно  масло  ТСп  –  15  К,  заменитель  –  масло  ТАП  –  15В,  при  температурах  ниже  минус  30    масло  ТСп  –  10.

На  рисунке  3  показан  общий  вид  экспериментального  стенда  с  водородным  двигателем  переоборудованный  двигатель  ЗИЛ  -431610.

Рисунок  3.  Общий  вид  экспериментального  стенда.

Вывод

В  качестве  источника  получения  водорода  сконструирован  простейший  электролизер,  испытания  которого  проведены  успешно.  Нами  был  проведен  эксперимент  получения  водорода  путем  электрохимической  реакции  на  самодельном  топливном  элементе.  Переоборудован  двигатель  ЗИЛ  -431610  для  работы  водорода.  Предстоят  испытания  на  экспериментальном  стенде.