Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды

Постановление Госгортехнадзора РФ от 6 июня 2003 г. N 75
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

"Об утверждении Правил безопасности при производстве водорода методом электролиза воды"
Госгортехнадзор России постановляет:

1. Утвердить Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды.
2. Направить Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды на государственную регистрацию в Министерство юстиции Российской Федерации.

Начальник Госгортехнадзора России В.М.Кульечев

Зарегистрировано в Минюсте РФ 19 июня 2003 г.
Регистрационный N 4780



[center][b]Правила
безопасности при производстве водорода методом электролиза воды[/b]
(утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 6 июня 2003 г. N 75)

Настоящим Правилам безопасности присвоен шифр ПБ 03-598-03
[/center]

I. Общие положения

1.1. Настоящие "Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды" (далее - Правила) устанавливают требования к взрывопожароопасным объектам, соблюдение которых обеспечивает промышленную безопасность, и направлены на предупреждение аварий, случаев производственного травматизм на объектах, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода.

1.2. Правила разработаны в соответствии с Федеральным законом от 21.07.97 N 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" (Собрание законодательства Российской Федерации за 1997 г. N 30. Ст.3588), Положением о Федеральном горном и промышленном надзоре России, утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации от 03.12.01 N 841 (Собрание законодательства Российской Федерации за 2001 г. N 50. Ст.4742), Общими правилами промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов, утвержденными постановлением Госгортехнадзора России от 18.10.02 N 61-А, зарегистрированными Минюстом России 28.11.02 N 3968 (Российская газета) и предназначенными для применения всеми организациями независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, осуществляющими деятельность в области промышленной безопасности и поднадзорных Госгортехнадзору России.

1.3. Настоящие Правила применяются в дополнение к требованиям Общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, утвержденных постановлением Госгортехнадзора России от 05.05.03 N 29, зарегистрированных Минюстом России от 15.05.03 N 4537, с учетом особенностей опасных производственных объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода.

1.4. Правила предназначены для применения:

а) при проектировании, строительстве, эксплуатации, расширении, реконструкции, техническом перевооружении, консервации и ликвидации опасных производственных объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода;

б) при изготовлении, монтаже, наладке, обслуживании и ремонте установок получения водорода и кислорода методом электролиза воды, а также другого оборудования, связанного с обращением и хранением водорода;

в) при проектировании, эксплуатации, консервации и ликвидации зданий и сооружений, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода;

г) при проведении экспертизы промышленной безопасности опасных производственных объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода (далее в тексте - связанных с производством водорода).

1.5. Проектирование и строительство зданий, сооружений и участков по производству и использованию кислорода, полученного при электролизе воды, должно вестись также в соответствии с нормативными документами, распространяющимися на кислород.

1.6. Приемка в эксплуатацию вновь сооруженных и реконструированных зданий и сооружений, связанных с производством электролитического водорода, должна производиться в соответствии с нормативными документами, утвержденными в установленном порядке.

1.7. Порядок и сроки выполнения мероприятий, обеспечивающих соблюдение требований настоящих Правил определяются руководителями организаций по согласованию с органами Госгортехнадзора России.

1.8. Все производства и объекты, на которые распространяется действие настоящих Правил, должны иметь на них документацию согласно действующим нормативным документам, в том числе:

- проектную документацию, разработанную по исходным данным на технологическое проектирование, выполненным, при необходимости, с учетом результатов научно-исследовательских и опытных работ, имеющую положительное заключение экспертизы промышленной безопасности; а также исполнительную документацию;

- технологический регламент, согласованный и утвержденный в установленном порядке;

- паспорта и техническую документацию на все виды технологического оборудования, трубопроводы, арматуру, предохранительные устройства, контрольно-измерительные приборы, приборы и средства безопасности, средства индивидуальной и коллективной защиты, используемые при производстве водорода методом электролиза воды;

- план локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС);

производственные инструкции, составленные в соответствии с технологическим регламентом и настоящими Правилами, а также нормативно-технической документацией по безопасному ведению технологического процесса и ремонтных работ, утвержденные в установленном порядке;

- декларацию промышленной безопасности, разрабатываемую в соответствии с Федеральным законом "О промышленной безопасности опасных производственных объектов";

- договор страхования ответственности за причинение вреда жизни, здоровью или имуществу других лиц и окружающей природной среде в случае аварии на опасном производственном объекте согласно Федеральному закону "О промышленной безопасности опасных производственных объектов";

- свидетельство о регистрации в государственном реестре опасных производственных объектов.

1.9. Технологические регламенты должны быть разработаны и утверждены в установленном порядке для всех действующих и для вводимых в эксплуатацию вновь сооруженных и реконструированных заводов, цехов, станций и участков и других объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением водорода. Технологический регламент может быть разработан проектной организацией - разработчиком проекта, научно-исследовательской организацией или эксплуатирующей организацией по согласованию с проектной организацией - разработчиком проекта.

1.10. На каждом рабочем месте должны находиться инструкции по охране труда (инструкции по технике безопасности), рабочие инструкции и инструкции по пожарной безопасности, утвержденные в установленном порядке.

1.11. При изменении технологического процесса или применении новых видов оборудования, или изменении схем коммуникаций технологические регламенты, производственные инструкции должны пересматриваться в установленном порядке.

1.12. Внесение изменений в технологию, аппаратурное оформление, систему управления, контроля связи, оповещения, системы защиты производится в соответствии с требованиями нормативно-технических документов только при наличии проектной документации, согласованной с проектной организацией - разработчиком проекта или с организацией специализирующейся в области проектирования объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением водорода и кислорода.

1.13. Технологическое оборудование, арматура, предохранительные устройства, контрольно-измерительные приборы, приборы и средства безопасности отечественного производства, работающие в промышленных условиях, должны иметь разрешение на их применение в эксплуатируемых по проекту режимах и условиях, выданное Госгортехнадзором России в установленном порядке.

1.14. На предприятиях связанных с производством электролитического водорода, независимо от категории взрывоопасности технологических блоков, должны разрабатываться программы для отработки навыков пуска, нормальной эксплуатации, плановой и аварийной остановки производства, а также сценарии действий в нештатных и аварийных ситуациях.

1.15. На объектах производства водорода должны быть созданы четкие перечни распределения обязанностей и границ ответственности между техническими службами, отлажена система энергообеспечения и оповещения вспомогательных служб при нештатных и аварийных ситуациях в соответствии с требованиями обеспечения промышленной безопасности.

1.16. В целях организации работы по предупреждению аварий и производственного травматизма организация, на которую распространяются данные Правила, разрабатывает систему стандартов по управлению промышленной безопасностью и обеспечивает их эффективное функционирование и актуализацию.

1.17. Организации, осуществляющие проектную деятельность, а также деятельность по монтажу, ремонту оборудования, обучению персонала, разрабатывают и обеспечивают эффективное функционирование и актуализацию системы стандартов по обеспечению качества.

II. Общие требования

2.1. Проектирование объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода и кислорода, должно проводиться с разделением технологической схемы на отдельные технологические блоки, обеспечивающие их минимальный уровень взрывобезопасности.

2.2. Организацией - разработчиком проекта производится расчет относительного энергетического потенциала каждого технологического блока, дается оценка энергетического уровня объекта, и обосновываются мероприятия по обеспечению взрывобезопасности всей технологической системы.

2.3. При расчете энергетического потенциала Q_в технологических блоков производства водорода методом электролиза воды следует принимать проектные решения, которые должны обеспечивать Q_в < 27 (III категория взрывоопасности).

2.4. При разработке мероприятий по предотвращению взрывов и пожаров на объектах обеспечения промышленных предприятий электролитическим водородом должны учитываться нормативные требования пожарной безопасности.

2.5. Выбор оборудования осуществляется в соответствии с исходными данными на проектирование, требованиями действующих нормативных документов и настоящих Правил. Исходя из категории взрывоопасности технологических блоков, входящих в технологическую систему, осуществляется выбор оборудования по показателям надежности.

2.6. Комплектные установки по получению водорода, поставляемые агрегатированными блоками, должны разрабатываться и изготавливаться по техническим условиям и иметь разрешение на применение.

2.7. Уровень взрывозащиты электрооборудования в помещениях, связанных с обращением водорода выбирается в соответствии с требованиями безопасности к устройствам электроустановок, общих правил взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, утвержденных в установленном порядке и настоящих Правил (приложение 2).

2.8. Категории помещений, а также уровень взрывозащиты электрооборудования в помещениях водородно-кислородных станций могут выбираться в соответствии с приложением 2 настоящих Правил, при этом должны быть выполнены расчеты по методике противопожарных норм и в соответствии с требованиями безопасности к устройствам электроустановок, утвержденными в установленном порядке. Отличающиеся классификационные значения от значений приложения 2 должны быть подтверждены соответствующими расчетами.

III. Требования к территории производства электролитического водорода

3.1. Проектирование генеральных планов вновь сооружаемого и реконструируемого комплекса зданий и сооружений и других объектов, связанных с получением, обращением, применением и хранением электролитического водорода, должно осуществляться в соответствии с требованиями пожарной безопасности и строительных норм и правил, утвержденными в установленном порядке, а также в соответствии с требованиями настоящих Правил.

3.2. Здания и сооружения, связанные с производством водорода (водородно-кислородные станции, склады, газгольдеры, ресиверы для водорода и пр.), должны размещаться на промплощадке организации. Не рекомендуется выносить их к оградам предприятия выходящим на улицу, проезды, скверы.

3.3. Расстояния от зданий и сооружений, связанных с производством водорода, до соседних зданий и сооружений (кроме случаев, оговоренных в настоящих Правилах) следует принимать по табл.1 приложения 1.

3.4. Наименьшие расстояния от цехов наполнения и хранения баллонов, складов, площадок и навесов для хранения баллонов (в пересчете на 40-литровые) с водородом и инертными газами до соседних зданий и сооружений следует принимать согласно табл.2 приложения 1.

3.5. Минимальные расстояния от зданий и сооружений до газгольдеров и ресиверов с водородом (кроме случаев, оговоренных в настоящих Правилах) следует принимать по табл.3 приложения 1.

3.6. Газгольдеры для водорода, а также ресиверы для водорода и кислорода размещаются на открытых площадках, имеющих по периметру ограждение легкого типа высотой не менее 1,2 м из несгораемого материала. На ограждении должны быть вывешены предупреждающие знаки безопасности: "Курить запрещается", "Посторонним вход воспрещен", на ресиверах и газгольдерах должны быть поясняющие надписи: "Водород. Взрывоопасно", "Кислород. Огнеопасно".

Расстояние от газгольдеров с водородом до ограждения должно быть не менее 5,0 м, от ресиверов с водородом и кислородом до ограждения - не менее 1,5 м.

3.7. Расстояние между водородными и кислородными ресиверами следует принимать не менее 10,0 м. Допускается уменьшение расстояния менее 10,0 м, при этом между ними должна быть обустроена глухая перегородка из несгораемого материала, превышающая ресиверы по высоте не менее чем на 0,7 м и выступающая за габариты ресиверов не менее чем на 0,5 м.

3.8. Допускается в отдельных случаях установка ресиверов водорода давлением до 10 кг/см2 вместимостью (геометрической емкостью) до 10 м3 у глухих стен или в простенках зданий производства водорода. При этом расстояние между ресиверами и стенами зданий должно быть не менее 1,0 м и обеспечивать удобство обслуживания и ремонта ресиверов. При этом общее количество ресиверов не должно превышать двух.

3.9. Расстояние между ресиверами одного газа должно быть не менее 1,5 м в свету и обеспечивать удобство их обслуживания.

3.10. Ресиверы для кислорода, азота и сжатого воздуха могут располагаться у глухих стен или в простенках зданий, где размещены службы по производству водорода. Расстояние в свету от ресиверов до стен этих зданий принимается не менее 1,0 м. Глухой участок стены должен выступать за габариты ресиверов не менее чем на 0,5 м.

3.11. Ресиверы для азота и сжатого воздуха должны располагаться на одной площадке с ресиверами для водорода на расстоянии не менее 1,5 м от последних.

3.12. Эксплуатирующая организация обязана обеспечить охрану организации, исключающую возможность проникновения посторонних лиц и несанкционированных действий. Территория всего комплекса производства водорода должна быть ограждена по периметру забором высотой не менее 2 м с устройством калиток и ворот с запорными приспособлениями, звонками, кодовыми замками и охранной сигнализацией.

3.13. Металлические шкафы или несгораемые навесы для хранения 40-литровых наполненных баллонов с водородом и инертными газами (общим количеством не более десяти), разрешается располагать снаружи у глухих стен или в простенках производственных зданий I, II степеней огнестойкости, в которых размещены потребители водорода, без увеличения наименьших расстояний до соседних зданий и сооружений, принятых согласно строительных норм и правил.

3.14. Скорость и порядок движения автомашин на территории производства электролитического водорода должны устанавливаться эксплуатирующей организацией и регламентироваться указателями и дорожными знаками.

Продолжение см. Источник [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Ракарский спасибо за информацию.
Насчет применения партотивных электролизеров никаких упоминаний.
Интересные выдержки из госта.

1. Краткая характеристика технологического процесса получения водорода

Производство электролитического водорода основано на процессе разложения воды постоянньм электрическим током на ее составные части - водород и кислород. Электрический ток через ячейку электролизера переносится заряженными частицами - ионами.
[b]Чистая вода, в которой ионов очень мало, обладает ничтожной электропроводностью, и подвергать ее непосредственно электролизу нельзя.[/b] В качестве электролита используется водный раствор щелочи, например гидроокиси калия (КОН).[b] В растворе щелочи при разложении воды, образуется много частиц - положительно заряженных ионов щелочного металла (калия) и отрицательно заряженных гидроксильных ионов.[/b] Первые называются катионами, потому что под влиянием электрического поля направляются к катоду, вторые - анионами. [b]Чем больше в растворе заряженных частиц, тем легче он проводит ток, тем меньше его электрическое сопротивление. [/b]На электродах происходит разряд молекул по следующей схеме:

_
4Н2O + 4е -" 2Н2 + 4OH

_ _
4OH + 4е -" O2 + 2Н2O

В результате электролиза у катода происходит концентрирование гидрата калия, а у анода - разбавление электролита образующейся водой. Ион калия не разряжается на катоде, являясь только переносчиком тока. Таким образом, процесс электролиза воды можно выразить суммарной реакцией:

2Н2О -" 2Н2 + O2

Из электролизеров водород и кислород поступают вместе с электролитом в разделительные колонки. Электролит охлаждается и возвращается в электролизеры.
Газы из колонок поступают в регуляторы-промыватели или регуляторы давления, которые соединены между собой в нижней части. Выше регуляторов устанавливаются уравнительные баки, из которых самотеком вода поступает в жидкостную систему регуляторов давления.
Электролит готовят в баке и насосом закачивают в электролизер.
После электролизерной установки водород и кислород могут поступать на очистку и осушку, хранение в емкостях, компремирование и наполнение в баллоны, а также на сжижение и т.п. и далее потребителю.
Преимущество электрохимического способа получения водорода - простота и непрерывность технологического процесса, экологическая безопасность, отсутствие потребности в сырье, получение водорода высокой частоты (очистка только от кислорода).

4. Взрывопожароопасные свойства водорода

Газообразный водород относится к горючим взрывоопасным газам. Взрывоопасные смеси водорода с воздухом относятся к категории IIC, группе Т1 по ГОСТ 12.1.0011-78*. [b]Смеси водорода с кислородом и воздухом взрывоопасны в широком интервале концентраций водорода.[/b] Смесь с хлором (1:1) взрывается на свету, с фтором водород соединяется со взрывом в темноте. [color:cf5d=red]Смесь с кислородом (2:1) называется гремучим газом.[/color]
[b]Температура самовоспламенения водорода в стальной бомбе, обладающей каталитическим действием, равна 510°С. [color:cf5d=red]Удельная теплота сгорания водорода - 120000 кДж/кг.[/color] Минимальная энергия, необходимая для воспламенения газовоздушной смеси составляет 0,017 мДж. Скорость распространения взрывной волны в гремучей смеси (2H2+O2) может достичь 2864 м/с.[/b]

3. Характеристика продуктов электролиза

Водород (H2) - самый легкий из газов, не имеет цвета и запаха, легко воспламеняется и горит синеватым, мало светящимся пламенем. При охлаждении водорода ниже минус 240°С под давлением около 1,22 МПа он конденсируется в очень легкую, прозрачную, бесцветную, легкоподвижную жидкость, не проводящую электричество и обладающую небольшим поверхностным натяжением.
При охлаждении ниже минус 259°С образуется твердый водород, представляющий собой белую пенообразную массу, плотность которой в 12 раз меньше воды.
Водород может отдавать электрон с образованием положительного иона или присоединять один электрон, превращаясь в отрицательный ион.
Водород отличается значительно большей скоростью диффузии по сравнению с другими газами. Коэффициент взаимной диффузии в воздухе при 1 атм и 18,5°С составляет 0,7 см2/с. При повышенных температурах и давлениях водород диффундирует в металлы. Наибольшее количество водорода поглощает палладий, который не только адсорбирует, но и растворяет водород. Поглощение водорода многими металлами (Fe, Co, Ni и др.) увеличивается с повышением температуры и давления. В палладий водород проникает уже при +240°С, диффузия водорода в мягкое железо значительна при 40 - 50 атм и температуре около 400°С. При поглощении водорода могут изменяться твердость, термическая стойкость, текучесть, электропроводность, магнитные и другие свойства металлов и сплавов. Для уменьшения диффузии водорода в металлы при повышенных давлениях и температурах применяются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий, вольфрам и др.
В обычных условиях при комнатной температуре молекулы водорода малоактивны. Реакционная способность водорода значительно возрастает при нагревании, под действием света, электрической искры и электрического разряда, в момент выделения, в присутствии катализаторов. Водород вступает в химические соединения со многими элементами. [b]На воздухе и в чистом кислороде водород сгорает, образуя воду.[/b]
Попутным продуктом производства водорода является кислород. Кислород (О2) - газ, не имеющий цвета и запаха, наиболее распространенный в природе элемент. [b]В жидком и твердом состоянии он имеет бледно-синюю окраску и заметно притягивается магнитом.[/b] Без участия кислорода невозможно дыхание, являющееся источником необходимой для жизни энергии. Кислород является одним из самых активных химических элементов. Во избежание возможности взрыва (особенно при повышенном давлении) необходимо предотвращать контакт кислорода с органическими и легкоокисляющимися веществами.

[b]При длительном вдыхании чистого кислорода (при атмосферном давлении) гибель наступает вследствие развития плеврального отека легких.[/b]

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ВОДОРОДЕ

П.В. Дружинин, В.А. Мельников, ВИТУ, Санкт-Петербург,
С.Н. Журавлев, ЦОПУ КС МО РФ, Москва,
А.А. Дегтярев, 104 УНР, Санкт-Петербург

Переводом автомобильных и других тепловых двигателей на водород или их частичным питанием водородом в нашей стране и за рубежом занимаются многие десятилетия.

В 1841 г. в Англии был выдан патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом. В 1852 г. в Мюнхене (Германия) был построен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором смесь водорода с воздухом сжималась насосом до 2…8 бар и воспламенялась электрической искрой. В 1928 г. двигатели внутреннего сгорания компании «Цеппелин», работающие на Н2, использовались для дирижаблей. В 1923 г. Г.Р. Рикардо проводил исследование влияния состава смеси водород-воздух на детонацию двигателя, работающего на Н2 [1].

В СССР в предвоенные годы В.И. Сороко-Новицким, Ф.Б. Перельманом, Е.К. Корси и др. исследователями испытывались ДВС, работающие на водороде и с его добавлением.

В послевоенные годы в АН СССР в лаборатории академика Е.А. Чудакова был испытан одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия при работе на водороде. В 1968 г. в институте механики АН СССР проведена конвертация автомобиля на водород при работе на частичных нагрузках [1].

С начала 70-х годов в США проводятся комплексные научно-исследовательские работы по использованию водорода для тепловых двигателей и прежде всего для автомобильных [2].

У нас в стране на водородную энергетику также обратили повышенное внимание в начале 70-х годов. Так в марте 1975 г. в Минске состоялось первое в СССР совещание по проблемам водородной энергетики. В мае 1975 г. при отделении физико-технических проблем энергетики АН СССР организована рабочая группа по водородной энергетике во главе с академиком И.А. Стыриковичем.

Первые Всемирные конференции по водородной энергетике состоялись: 1976 г. – в Майами-Бич (США), 1978 г. – в Цюрихе (Швейцария), 1980 г. – в Токио (Япония) и 1982 г. – в СССР [3].

Топливный кризис 70-х годов заставил многие автомобильные компании по новому взглянуть на альтернативные виды топлива. Тогда-то и был первый всплеск интереса к водороду, запасы которого на Земле огромны (его можно получать из воды). Однако вскоре кризис прошел, нефтепроводы заработали на полную мощность, и водородные исследования были приостановлены. Но прошло всего 30 лет, и эти исследования вновь стали актуальны, особенно учитывая современное экологическое настроение. Действительно, сжигая водород – получаем воду.

Несмотря на использование усовершенствованных двигателей, каталитических нейтрализаторов отработавших газов, улучшенных и очищенных сортов бензина, состояние воздуха в городах представляет собой серьезную проблему.

В сравнении с другими возможными видами автомобильных топлив преимуществами водорода в чистом виде являются:

· высокая теплота сгорания (28620 ккал/кг);

· хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур, что обеспечивает хорошие пусковые свойства двигателя при любых температурах атмосферного воздуха;

· безвредность отработавших газов;

· высокая антидетонационная стойкость, допускающая работу при степени сжатия до 14,0 [4];

· высокая скорость сгорания, для стехиометрической водородо-воздушной смеси она в 4 раза больше, чем для бензовоздушной, что обеспечивает лучшую полноту сгорания водорода и определяет более высокий термический КПД (в среднем на 20…25 %) [4];

· хорошая воспламеняемость в широком диапазоне смесей с воздухом[4]; делает возможным осуществление качественного регулирования смесеобразования в двигателе путем изменения количества подаваемой смеси определенного состава; при применении Н2 можно в значительной мере отказаться от дросселирования потока воздуха на впуске и тем самым увеличить термический КПД двигателя на режимах частичных нагрузок.

Можно выделить следующие перспективные направления разработок водородных двигателей:

· Двигатель распределенного впрыска (Оклахомский университет, США; фирма BMW, Германия и др.). Это переоборудованный обычный двигатель, мощность которого при переходе на водород несколько повысилась.

· Стирлинг-двигатель внешнего сгорания (фирма «Филипс», Голландия и др.). Современные двигатели внешнего сгорания с возвратно-поступательно движущимися поршнями представляют собой двигатели двойного действия (например, с четырьмя цилиндрами), работающие с определенным сдвигом фаз и при высоких давлениях (от 5 до 20 МПа). В каждом цилиндре расположен один поршень, верхняя поверхность которого выполняет роль рабочего поршня, а нижняя работает как вытеснитель для следующего цилиндра. Он несколько тяжелее и значительно дороже из-за усложненной конструкции аналогичного двигателя внутреннего сгорания (например, дизеля). Повысить удельную мощность пока мешают проблемы теплообмена (очень высокие значения рабочих температур и соответственно большие охлаждающие поверхности теплообменника). Двигатель абсолютно безвреден (очень низкая токсичность) и практически бесшумен, позволяет использование различных топлив (многотопливный).

· Электродвигатель на топливных элементах (концерн Ford, Daimler-Chrysler, Opel, MAN, Mazda, Honda и др.). Пока топливные батареи (электрохимический генератор) имеют высокую стоимость и требуют решения некоторых вопросов эксплуатации (в том числе при низких температурах).

По мнению некоторых авторов, общественный транспорт уже сегодня мог бы перейти на жидкий водород. Для промышленно развитых стран это уже не техническая, а организационная проблема [5].

Исследователями выяснено, что наиболее полно специфическим особенностям водорода как моторного топлива отвечает быстроходный двигатель с неразделенной камерой сгорания и внутренним смесеобразованием. В работе [4] проведен теоретический анализ рабочего процесса в энергетических установках транспортных средств при использовании в качестве топлива водорода, получаемого из воды при помощи ЭАВ.

Результаты показали, что максимальные температуры продуктов сгорания водорода в цилиндре не превышают аналогичных температур для продуктов сгорания бензина, в то же время максимальное давление продуктов сгорания и среднее индикаторное давление на 25% ниже, чем у двигателя на бензине.

Установлено, что такой двигатель может работать при полностью открытом дросселе во всем диапазоне рабочих нагрузок, причем его эффективная мощность может изменяться (при холостом ходу и до полной нагрузки) за счет регулируемой подачи водорода. Были получены сравнительно высокие значения индикаторного КПД. При степени сжатия ε = 5,45 и числе оборотов двигателя n = 1500 мин-1 максимальный индикаторный КПД составлял 37,5 % при среднем индикаторном давлении 0,42 МПа и коэффициенте избытка воздуха α = 2, в то время как на бензине – 32% при α =1,07…1,15 [4].

Проводя испытания на двигателе со степенью сжатия ε = 7 при 1500 мин-1, получен на более бедной смеси индикаторный КПД, равный 43%, в то время как при работе с той же степенью сжатия на бензине максимально возможное его значение составило 37%.

Результаты исследований показали, что склонность водородовоздушной смеси к детонации существенным образом зависит от коэффициента α избытка воздуха в ней. Предельная степень сжатия снижается с уменьшением α и при стехиометрическом составе не превышает 4,6, что соответствует октановому числу топлива 42, а при α = 3 достигает 9,4 (октановое число 114) [4].

Скорость распространения ударной волны составила (при α = 1,3) 680 м/с, тогда как при детонации 2…4 км/с. Подобное сгорание необходимо рассматривать как результат очень высокой скорости распространения фронта пламени. На всех рабочих режимах отработавшие газы можно считать практически безтоксичными, т. е. сгорание являлось полным. Впрыск воды в карбюратор (впускной коллектор) и другие способы снижения температуры сгорания позволяют уменьшить количество NOх до допустимых значений. При α = 2…2,5 количество NOх падает практически до 0 без применения дополнительных мер.

ДВС на водороде с началом подачи Н2 в цилиндр в конце такта сжатия и воспламенением с помощью свечи зажигания исключает возможность возникновения детонации, что позволяет работать при высоких степенях сжатия. В двигателях, работающих по данному принципу, подачу водорода в цилиндр следует организовывать таким образом, чтобы его струя попадала на электроды свечи зажигания. Это можно осуществить подачей водорода через отверстие в самой свече зажигания или подачей его в поток направленного движения воздушного заряда, созданного специальной формой впускного трубопровода или выполнением в поршне камеры сгорания специальной формы.

Некоторые катализаторы (этилнитрат, амилнитрит и др.) одновременно с повышением скорости горения, снижают температуру воспламенения горючей смеси и уменьшают период задержки воспламенения, что как раз необходимо для двигателя, работающего на водороде.

Существуют твердые катализаторы, снижающие температуру воспламенения водородовоздушной смеси, которыми можно покрывать внутреннюю поверхность камеры сгорания. К ним относятся: никель, молибден, окись марганца, окись титана и др.

Одним из направлений создания в цилиндре ДВС условий, обеспечивающих надежное воспламенение водородовоздушной смеси, будет одновременное увеличение температуры и давления в конце такта сжатия. Это можно осуществить за счет увеличения степени сжатия, повышения давления и температуры воздушного заряда в начале такта сжатия. Для увеличения давления и температуры воздушного заряда в начале такта сжатия применяют турбо - или механический наддув.

Для реализации преимуществ водорода в качестве автомобильного топлива необходимы следующие основные конструктивные изменения бензинового двигателя:

· увеличение рабочего объема цилиндров (для получения той же мощности);

· увеличение степени сжатия до допустимой для водорода;

· предотвращение возможности преждевременного воспламенения, обратных вспышек, детонации, учитывая большую скорость распространения пламени водородовоздушной смеси;

· изменение (уменьшение) угла опережения зажигания с учетом полного сгорания смеси в верхней мертвой точке;

· изменение системы питания, уменьшение аэродинамического сопротивления с учетом возможности увеличения коэффициента избытка воздуха при работе на водороде;

· осуществление мер по предотвращению образования окислов азота в отработавших газах при использовании атмосферного воздуха в качестве окислителя и другие меры.

В новом и перспективном деле множество вариантов, но все они сводятся к одной проблеме – в каком агрегатном состоянии заправлять водород в топливный бак. Для газообразного водорода потребуются довольно-таки объемные емкости, к тому же его способность проникать через малейшие неплотности, а также опасная концентрация в воздухе в объемном соотношении 2 : 1 (так называемый «гремучий газ») затрудняет развитие данного направления. Несмотря на простоту и надежность баллонные системы хранения водорода можно считать целесообразным только при использовании водорода к качестве присадки к бензину, так как существующие баллоны мало пригодны в силу большого веса (самые легкие из существующих баллонов имеют удельный вес около 33 кг/кг Н2).

Не лучшим образом дело обстоит и со сжиженным водородом, который нужно хранить при температуре – 253°С. Криогенные системы много сложней и дороже баллонных, при сжижении водорода требуется более сложное и дорогое оборудование и более высокие энергозатраты.

Известен способ хранения – с использованием гидридов, металлов и сплавов, способных «разместить» между своими атомами атомы водорода. Емкость подобного «хранилища» (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у баллона со сжатым газом и почти вдвое – со сжиженным. Наилучшей основой для гидрида является титан. Гидридные наполнители довольно сложны в изготовлении, они не состоят из цельного металла, а больше напоминают губку со множеством каналов – для скорейшего поглощения и выделения водорода. Как уже было ранее отмечено, последнее происходит при нагреве гидридов.

Хотя гидриды безопаснее других способов хранения водорода – для автомобильного транспорта емкость и у них маловата, а вес и сложность устройства, напротив, велики. К тому же гидридные системы мало приспособлены к работе с переменными расходами из-за значительной тепловой инерции реакторов и поэтому должны иметь в своем составе ресивер или комбинироваться с другим источником водорода.

Независимо от способа хранения водородного топлива на автомобиле, большинство существующих водородных систем питания обеспечивают подачу газообразного водорода во впускной коллектор двигателя. Схемы внешнего смесеобразования базируются на системах непрерывного впрыска топлива, в которых центральный электрический дозирующий клапан и распределитель водорода направляют газообразный водород в отдельные впускные тракты двигателя. На рис. 1 представлена схема системы питания легкового автомобиля BMW-735i с двигателем с искровым зажиганием, работающим на водородном топливе. Основными элементами системы питания являются: бак (7) со сжиженным водородом с вакуумной изоляцией, испаритель (3) сжиженного водорода, дозирующий клапан (4) для регулирования мощности, инжекторы (5) водорода.

В стадии разработки находится способ подготовки смеси, основанный на последовательном и импульсном впрыске водорода во впускной коллектор.

Предотвращение обратных вспышек во впускном коллекторе осуществляется путем использования обедненных смесей или впрыскиванием в коллектор дополнительных порций воды.

Проведенные исследования выявили положительные и отрицательные моменты в работе двигателей на водороде. К отрицательным можно отнести преждевременные вспышки, резкие колебания давления в цилиндре при сгорании, жесткий ход и детонацию.

Неустойчивое сгорание Н2 в ДВС может быть улучшено путем мероприятий, направленных на снижение скорости распространения фронта пламени и уменьшения температуры рабочей смеси (впрыск во впускной коллектор воды, рециркуляция отработавших газов, снижение отношения водород/воздух в смеси, введение Н2 в цилиндр через отдельный клапан) [6].

Рис. 1. Легковой автомобиль BMW-735i с двигателем с искровым зажиганием, работающим на водородном топливе:

LH2 – сжиженный водород; GH2 – газообразный водород;

1 – клапанный блок для дозаправки сжиженным водородом и подачи газообразного водорода; 2 – магистрали для подачи водородного топлива (с вакуумной изоляцией); 3 – испаритель для сжиженного водорода; 4 – дозирующий клапан для регулирования мощности (с электронным управлением); 5 – инжекторы водорода; 6 – предохранительные клапаны, срабатывающие при превышении давления в баллоне со сжиженным водородом; 7 – баллон (бак) со сжиженным водородом с вакуумной сверхизоляцией; 8 – датчики водорода для определения негерметичности системы питания; 9 – дроссельная заслонка с электронным управлением, используемая при работе двигателя на бензине; 10 – центробежный нагнетатель воздуха, работающий с переменной частотой вращения

Следующим направлением является получение водорода непосредственно на автомобиле. Самым перспективным здесь считается способ, при котором сырьем служит метанол.

Бак автомобиля наполняют метанолом. Отсюда он попадает в химический реактор, где испаряется и в присутствии катализатора реагирует с водяным паром, выделяя водород и двуокись углерода. Можно провести реакцию другим способом, тогда вторым из продуктов окажется не СО2, а СО. Поскольку Н2 и СО горючи, их можно вместе сжигать в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

Несмотря на активное развитие водородных систем питания двигателя, они еще уступают по весу и габаритам бензиновой и дизельной системам. Поэтому одним из направлений разработок является двигатель, работающий на бензине с присадкой водорода. При этом могут быть использованы существующие баллоны или водород можно получать непосредственно на автомобиле путем термокаталитической переработки части расходуемого бензина [7].

В эксплуатационных условиях при добавках водорода в среднем 10% расхода бензина и сохранении автономии автомобиля такой же, как и на бензине, потребуется иметь на борту запас водорода 0,8…1,0 кг для автомобилей малого класса и 1,2…1,5 кг – для автомобилей среднего класса. Хранение такого количества водорода на автомобиле в настоящее время не представляет особых трудностей. Увеличение массы автомобиля не превышает 3% при хранении Н2 в жидкой форме и 5…7% – в виде гидридов металлов. Экономия органического топлива при этом будет составлять 30…40 % [35].

Даже небольшое количество присадки водорода к бензину (дизельному топливу) заметно улучшает сгорание, позволяет сильно обеднять смесь и уменьшает количество вредных выбросов.

Усредненный КПД двигателя по всему циклу испытаний с присадкой водорода был на 25% выше, чем при работе без присадки [7].

Наиболее целесообразно использование топливных смесей с добавкой водорода до 20% по массе, соответствующих пределу обеднения порядка α = 2,5. Этот предел эффективного обеднения определен при условии устойчивой работы двигателя без пропусков сгорания [8].

[img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

и так рисунок из старых знаний, типа про атомарный водород которого ни кто не виделС
[img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]