19.3. Хранение водорода

Наибольшую сложность представляет хранение водорода в автомобиле. Поскольку водород очень легок, то масса и размеры существующих металлических баллонов, а также способы его хранения в них неприемлемы. В табл. 18 для сравнения приведены различные способы хранения водорода. Сжиженный водород занимает небольшой объем, однако теплоизоляция емкости с ним очень громоздка и дорога. Кроме того, обращение с жидким водородом небезопасно и требует обученного персонала. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в хранении и доставке сжиженного водорода, его применение в легковых автомобилях до сих пор представляет собой нерешенную задачу. Неприемлемы также, и величины потерь водорода в результате его испарения из криогенных баков.

Таблица 18. Способы хранения водорода

Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения - гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода гидрид необходимо нагреть подобно воде для образования пара.

Эти свойства гидридов при применении в автомобиле дают преимущества по сравнению с другими способами хранения водорода. При движении автомобиля емкость с гидридами нагревается жидкостью системы охлаждения или же отработавшими газами двигателя. Эта теплота аккумулируется в гидридах, температура которых повышается и растет давление водорода. Однако при достижении определенного значения давления в емкости температура вновь падает и выравнивается с температурой окружающей среды. На рис. 134 приведены изотермические диаграммы систем "металл - водород" для соединений FeTi и NiMg. В емкости с гидридом FeTi уже при температуре - 20 °С устанавливается избыточное давление 0,1 МПа, что достаточно для подачи водорода в смесительное устройство. Для дальнейшего повышения давления и выделения водорода необходимо нагревать гидрид жидкостью системы охлаждения двигателя. Холодный пуск двигателя без подогрева гидридов возможен таким образом до - 20 °С.

Рис. 134. Условия равновесия FeTi и NiMg при различных температурах

Если для дальнейшего выделения водорода использовать теплоту системы охлаждения, то через радиатор системы охлаждения будет отводиться меньшее количество теплоты и, следовательно, можно иметь и меньшего размера вентилятор. Следовательно, системой охлаждения в этом случае может отводиться лишь некоторая доля неиспользуемой теплоты, другая же ее часть может аккумулироваться в гидриде для извлечения водорода.

Теплоту, аккумулированную в гидриде, необходимо отводить при заправке автомобиля. Ее можно использовать, например, для нагревания технической воды, отопления гаража и т. д. Такой путь можно расценить как улучшение теплового КПД двигателя в более широком смысле этого понятия. О тепловом балансе двигателя с гидридным аккумулятором можно судить по рис. 135, где слева показан тепловой баланс обычного двигателя, а справа - двигателя с питанием водородом из гидридного аккумулятора. Из общего количества поданной в двигатель с топливом теплоты Q часть Q_e используется на эффективную мощность, Q_v - на привод вентилятора, a Q_z теряется и отводится отработавшими газами и системой охлаждения. В водородном двигателе с гидридным аккумулятором из общего количества теплоты Q на эффективную мощность расходуется теплота Q_e, теплота Q_a используется для нагревания гидрида, теплота Q_z теряется.

Рис. 135. Тепловой баланс двигателей с гидридным аккумулятором и без него

Таким образом, гидрид представляет собой аккумулятор двойного действия. Когда гидрид заряжается водородом, из него отводится теплота, когда он "заряжается" теплотой, из него отводится водород. Следовательно, при одной и той же форме и размерах аккумулятор выполняет две функции. При определенной комбинации различных гидридов можно добиться работы двигателя без радиатора системы охлаждения с ее вентилятором.

Гидрид FeTi состоит из относительно тяжелых железа и титана и поэтому масса аккумулированного в нем водорода составляет лишь 2 % от собственной массы аккумулятора, что представляет собой весьма неблагоприятное соотношение. Лучшее соотношение характерно для гидрида NiMg, включающего сверхлегкий магний; в настоящее время интенсивно ведутся поиски более приемлемых гидридов.

Относительно легкий гидрид NiMg начинает выделять приемлемое количество водорода при нагревании почти до 350 °С. До такой температуры гидрид можно нагреть лишь отработавшими газами. При холодном пуске двигателя таких температурных условий в автомобиле нет и поэтому гидрид необходимо нагревать иным источником. В данном случае приемлемо сочетание двух гидридов, в частности, гидрид FeTi обеспечивает холодный пуск, а гидрид NiMg - подачу водорода при движении автомобиля, благодаря обогреву гидридного бака отработавшими газами двигателя, как это показано на рис. 136.

Рис. 136. Комбинированное применение гидридов FeTi и NiMg

Комбинация этих двух гидридов позволяет, кроме того, отапливать или охлаждать салон автомобиля при отключенном двигателе. Если соединить между собой оба гидридных бака, то водород будет перемещаться из емкости с гидридом FeTi, где более высокое давление, в гидридный бак NiMg с более низким давлением. Резервуар с более высоким давлением будет освобождать водород и, следовательно, охлаждаться, в то время как емкость с более низким давлением будет наполняться водородом и, следовательно, нагреваться. Если климатической установкой автомобиля подавать в салон воздух, обдувающий гидридные баки, то можно обеспечить желаемый температурный режим в салоне при выключенном двигателе. Обдув резервуара с NiMg, однако, будет связан с некоторой потерей водорода.

Все эти свойства гидридов следует учитывать при сравнении водородных двигателей с другими альтернативными приводами.

Гидридный аккумулятор с FeTi, схематически изображенный на рис. 136, представляет собой стальной цилиндр, наполненный гранулами этого металлического соединения. Для лучшего теплообмена в центре аккумулятора расположен также трубопровод, через который проходит жидкость системы охлаждения. При заправке аккумулятора объем наполнителя увеличивается (с чем приходится считаться при его конструировании), а сам наполнительный материал превращается в порошок. Долговечность его не ограничена.