Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1 Применение водорода в автомобильных двигателях 9
1.1.1 Свойства водорода как моторного топлива 9
1.1.2 Экологичность водородного двигателя 11
1.1.3 Кинетика водородного двигателя 15
1.1.4 Особенности рабочего процесса ДВС на водороде 18
1.1.5 Особенности рабочего процесса ДВС на смеси бензина с водородом 20
1.1.6 Хранение водорода на борту автомобиля 21
1.2 Получение водорода электролизом 22
1.2.1 Физико-химические основы электролиза 22
1.2.2 Основные типы электролизёров и их характеристики 27
1.2.3 Электролизёры со щелочным электролитом 27
1.2.4 Высокотемпературные электролизёры 29
1.2.5 Электролизёры с твердым полимерным электролитом 30
1.2.6 Твердые полимерные электролиты 34
1.2.7 Катализаторы электролиза воды *. 36
1.3 Выводы 38
Глава 2. Свойства используемых в работе веществ и методика эксперимента ,~
2.1 Исходные вещества 40
2.2 Синтез твердых электролитов 42
2.3 Экспериментальная ячейка 43
2.4 Методы исследований и статистическая обработка результатов экспериментов .«
2.4.1 Термогравиметрический метод 43
2.4.2 ИК-спектроскопический метод 45
2.5 Электрохимические методы исследования 46
2.5.1 Импедансныи метод исследования двойного электрического слоя
2.5.2 Модель адсорбционной релаксации двойного слоя в твердых электролитах
2.5.3 Обратимые электроды в твердых электролитах 52
2.5.4 Гальваностатический метод 54
2.5.5 Вольтамперометрия 58
2.6 Статистическая обработка результатов измерений 58
2.7 Выводы 59
Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 60
3.1 Изучение физико-химических свойств «Н+- ТЭЛ» 61
3.1.1 Изучение проводимости «КГ-ТЭЛ» в переменном токе 61
3.1.2 Изучение проводимости «Н+-ТЭЛ» в постоянном токе 66
3.1.3 Определение потенциалов разложения «ГҐ-ТЗЛ» 71
3.1.4 Исследование термической устойчивости «ЬГ-ТЭЛ» 72
3.1.5 Результаты исследования рентгеновских спектров 73
3.1.6ИК-спектры«Н+-ТЭЛ» 74
3.2 Исследование поведения границы №,Н2/«Н+-ТЭЛ» 75
3.2.1 Исследование спектров импеданса Кі,Н2/«І"Ґ-ТЗЛ»/Ні,Н2... 75
3.2.2 Результат потенциодинамического исследования 78
3.2.3 Исследование ячейки №,Н2/<<Н+-ТЗЛ»/г\їі,Н2 в постояннотоковом режиме Q
3.2.4 Вольтамперная характеристика макета МЭБ 83
3.3 Выводы 85
Глава 4. Разработка мембранно-электродного блока для генерации водорода в автомобильном двигателе
4.1 Разработка способа интеграции МЭБ в двигатель автомобиля 87
4.1.1 МЭБ с параллельными электродами 87
4.1.2 МЭБ с соосными электродами 90
4.2 Макет МЭБ 94
4.3 Выводы 96
Глава 5. Оценка решения прикладных задач 97
5.1 Оценка экологичности автомобильных двигателей использующих смесь бензина с электролизным водородом
5.2 Оценка экономичности автомобильных двигателей использующих смесь бензина с электролизным водородом QQ
5.3 Бизнес-план инвестиционного проекта 100
5.3.1 Маркетинговые исследования 101
5.3.2 Финансовое резюме 104
5.3.3 Финансовый план 105
5.4 Выводы 109
Выводы 111
Список литературы
- Экологичность водородного двигателя
- Методы исследований и статистическая обработка результатов экспериментов
- Определение потенциалов разложения «ГҐ-ТЗЛ»
- МЭБ с соосными электродами
Введение к работе
Актуальность темы
Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива образуются углекислый газ и водяной пар. Современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают рядом отрицательных характеристик: низкий коэффициент полезного действия (КПД); высокая токсичность выхлопных газов; высокий расход топлива.
Для улучшения вышеуказанных показателей используется такое инженерное решение, как активация топливовоздушного заряда. В качестве активатора могут использоваться керосин, биотопливо, спирты, водород и др. Для реализации этого решения на автомобиль устанавливается дополнительная система подачи активатора в автомобильных двигателях. Водород как моторное топливо, обладает рядом несомненных преимуществ, позволяющих использовать его в качестве добавки, инициирующей процессы воспламенения и горения топливовоздушной смеси.
В настоящее время газообразный водород получают главным образом в процессе высокотемпературной газификации каменного угля или продуктов перегонки нефти; при этом приходится отделять водород от моноксида углерода. Такой водород не является возобновляемым, к тому же он недостаточно чист для многих применений. В качестве наилучшего метода получения высокочистых продуктов обычно рассматривают электролиз воды, который позволяет получать водород и кислород достаточной степени чистоты до 99,9 %.
Возросший интерес к системам с добавкой водорода в горючую смесь в различных пропорциях стимулировал развитие технических устройств с использованием автономных источников водорода, например на базе электролизёра или гидридных накопителей.
Применение твердых электролитов (ТЭЛ) в электролизерах имеет существенные преимущества перед ионными растворами. С их помощью достигаются компактность, простота конструкционного исполнения, возможность работы в широком интервале температур и т.д.
Поэтому исследовательская работа по созданию мембранно-электродных блоков (МЭБ) на основе ТЭЛ, обладающих вышеперечисленными свойствами, является на сегодняшний день решением актуальной задачи.
Целью настоящей работы является разработка электрохимического способа генерации и добавки водорода в топливовоздушную смесь ДВС автомобиля.
Достижение поставленной цели осуществляется посредством решения следующих задач:
-
На основе анализа периодической и патентной литературы провести выбор материалов, входящих в мембранно-электродный блок электрохимических ячеек.
-
Определить электрофизические характеристики и состав «H+-ТЭЛ» физико-химическими методами.
-
Исследовать ячейки с «H+-ТЭЛ» в контакте с инертными и обратимыми электродами электрохимическими методами: методом импеданса, методами вольтамперометрии.
-
Оценить возможность использования мембранно-электродного блока для генерации водорода.
-
Разработать схему интеграции электролизёра в автомобильный двигатель.
-
Оценить экологичность и экономичность битопливного ДВС автомобиля.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Получен новый полимерный «H+-ТЭЛ» на основе сульфосалициловой кислоты (ССК) распределённой в матрице полиакрилонитрила (ПАН).
Предложена эквивалентная схема, моделирующая частотные зависимости действительной и мнимой компонент входного импеданса, и рассчитаны кинетические параметры путем анализа частотной зависимости импеданса границы «H+-ТЭЛ»/Me.
Определены ионная составляющая проводимости, которая имеет порядок 10-2 Ом-1см-1 и электронная методом Хебба-Вагнера в постоянном токе, которая имеет порядок 10-6 Ом-1см-1.
Определены параметры процесса электрохимического поведения границы Ni,H2/«H+-ТЭЛ»/Ni,H2 методами вольтамперометрии в постоянном токе.
Практическая значимость результатов работы
-
Разработана технология получения ионного проводника с проводимостью по ионам водорода, который может быть использован в плёночном варианте «H+-ТЭЛ» для различных преобразователей энергии и информации.
-
По результатам исследований предложен вариант МЭБ для электролизёра на основе выбранной электрохимической системы.
-
Разработана схема интеграции генератора водорода в двигатель.
-
Результаты данной диссертационной работы рекомендованы к внедрению на ОАО «Завод автономных источников тока», г. Саратов, ОАО СГАТП-6, г. Саратов.
-
Полученные в работе данные исследования системы Me/«H+-ТЭЛ»/Me могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Электрохимия» и «Физическая химия» для студентов автомеханического и физико-технического факультетов Саратовского государственного технического университета и других вузов РФ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Разработка технологии получения протонпроводящего твёрдого электролита.
Результаты комплексного исследования «H+-ТЭЛ» обладающего свойствами ионпроводящего электролита.
Результаты комплексного исследования поведения границ Me/«H+-ТЭЛ».
Разработка макета МЭБ для электролизёра на основе систем Me/«H+-ТЭЛ»/Me и схема его размещения в ДВС.
Апробация результатов работы
Результаты работы доложены на III Международном симпозиуме по водородной энергетике (Москва, 2009); XXII Межгосударственном научно- техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2009); V Международной научно-технической конференции «Композит - 2010» (Саратов, 2010), 9 Международном Фрумкинском симпозиуме «Материалы и технологии электрохимии 21 века» (Москва, 2010), V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» «АНТЭ-09» (Казань, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых
«Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2010» (Саратов, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых
«Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009» (Саратов, 2009); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-21 (Саратов, 2008).
Публикации
По материалам диссертации получены приоритетная справка и решение о выдаче патента на полезную модель, опубликованы 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 статей в сборниках трудов и материалах конференций.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 125 страницах, включает 56 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы состоит из 130 наименований.
Экологичность водородного двигателя
Водород обладает наибольшей весовой теплотворной способностью, однако его объемная теплотворная способность относительно низкая и составляет по сравнению с метаном (СН4) и окисью углерода (СО) соответственно 30 и 85% [1]. При сжигании топлива в двигателе важной является не столько теплотворная способность самого топлива, а теплотворная способность топливно-воздушной смеси. Объемная теплотворная способность стехиометрической водородовоздушной смеси составляет 86-90% от соответствующей смеси других газов и 83% от бензиновоздушной смеси (табл. 1.1)
Температура воспламенения водородно-воздушных смесей достаточно высока (температура самовоспламенения смеси не менее 1023К), что исключает возможность работы двигателя на водороде с воспламенением от сжатия и обуславливает необходимость в постороннем зажигании.
Важным качеством моторного топлива для двигателей с искровым зажиганием является его воспламеняемость, характеризуемая минимальной энергией зажигания (искры).
Водородовоздушные смеси обладают исключительно широким диапазоном горючести (от 4 до 74%), позволяющим применять чисто качественное регулирование во всем диапазоне нагрузок двигателя [2].
Одной из важных характеристик моторных топлив является скорость сгорания топливно-воздушных смесей, определяющая в значительной мере динамику тепловыделения в рабочем цикле двигателя. Таблица 1.1
Коэф. избыткавозд.по пределам горючести 10,0-0,15 2,0-0,6 2,94-0,14 1,78-0,40 1,67-0,35 1,35-0,3 По данным табл. 1.1 можно сделать вывод, что энергия воспламенения водородно-воздушной смеси в 4 7 раз ниже, чем для других горючих газов, а при сравнении с бензином энергия воспламенения водорода на порядок ниже, чем бензина. Из выше сказанного следует, для водорода характерно наименьшее значение теплоемкости продуктов сгорания.
Важной характеристикой моторного топлива является детонационная стойкость, характеризуемая в двигателях октановым числом, определяемым моторным методом. В настоящее время нет единого мнения о детонационной стойкости вод ородовоз душных смесей и о природе наблюдаемых аномальных явлений при работе двигателей на смесях, близких к стехиометрическим. Если в обычном пламени происходит незначительный скачок давления, то в детонационной волне стехиометрической водородно-воздушной смеси оно увеличивается в 15 раз.
В водородовоздушной смеси детонация возникает при значениях избытка воздуха а от 0,25 до 1,9, при этом величина скорости детонационной волны имеет значение 1300 -2150 м/с [2]. Таким образом, пределы возникновения детонации много уже пределов воспламенения.
Водород как моторное топливо обладает уникальными экологическими свойствами: при сгорании его в двигателе в заметных количествах образуется лишь один токсичный компонент - оксиды азота (NOx), образующиеся в результате окисления азота воздуха при высоких температурах. Но в отработавших газах (ОГ) реального двигателя всегда будут содержаться ССЬ, CmHn вследствие частичного сгорания моторного масла, попадающего в камеру сгорания [3].
Учитывая это обстоятельство, безусловный интерес представляют работы по применению водорода в качестве добавки к бензину, на тех режимах, которые наиболее характерны для городской эксплуатации автомобилей, а именно на холостом ходу и частичный нагрузках. Такая особенность организации рабочего процесса двигателя автомобиля на бензоводородных топливных композициях позволяет сохранить мощностные характеристики на прежнем уровне, существенно улучшить технико-экономические и экологические характеристики автомобиля в условиях городской эксплуатации [3,4]. Однако для ее реализации требуется более сложная система управления топливоподачей, изучение работы автомобиля на различных режимах.
Фирмой "Элдис", (г. Москва) был разработан и изготовлен на базе серийного образца электролизёра АС-1 автономный вариант с питанием от бортовой сети автомобиля напряжением 12-14 В [4].
При включении зажигания 1 посредством реле 2 при наличии опорного числа оборотов двигателя п 500 мин"1 на электролизёр 4, при определённой температуре охлаждающей жидкости Тож, блоком питания и управления 3 подавалось напряжение. Вырабатываемый водород направлялся посредством электропневмоклапана (ЭПК) 5, управляемого блоком управления 3 или в накопительную ёмкость 6, или во впускную трубу двигателя. Для уменьшения времени выхода электролизёра на рабочий режим, блок питания и управления 3, регулировал напряжение, подаваемое на электролизер, до максимально возможного (18 В). Кроме того, блок управления контролировал частоту вращения коленчатого вала и температуру охлаждающей жидкости двигателя Тож, в соответствии с величинами которых определялся момент включения электролизёра. В частности, при пуске холодного двигателя происходила подача из накопительной ёмкости, а при прогретом двигателе и определённом п - её заполнение и подача при достижении давления Р„2, измеряемого датчиком давления 6, величины равной Рн2 =30-50 кПа во впускную трубу ДВС [4]. На автомобилях ВАЗ-210932 и ВАЗ-21102 были проведены испытания по ездовым циклам ОСТ 37.054.85 и ГОСТ 41.83-99.
Методы исследований и статистическая обработка результатов экспериментов
Горение бензинов является цепной химической реакцией окислительного процесса взаимодействия атомов кислорода воздуха с отдельными свободными атомами, составляющими углеводороды, и характеризуется их теплотворной способностью [13,14].
Полнота и скорость цепной реакции горения жидких углеводородов определяются кинетикой расщепления системы первоначально на отдельные молекулы, а затем - расщепление молекул на отдельные атомы. Процесс расщепления молекул до состояния отдельных атомов проходит определенные стадии, на каждой из которых затрачивается энергия самого процесса горения. Поэтому теплота сгорания жидких углеводородов ниже, чем газообразных, у которых отсутствует необходимость предварительного этапа подготовки - расщепления системы на отдельные молекулы.
Одним из перспективных физических методов решения этой задачи является добавка водорода. Молекулярная формула наиболее качественного бензина - С8Н]8. В двигателе внутреннего сгорания бензин реагирует с кислородом воздуха О?. При этом выделяются углекислый газ, вода и большое количество тепловой энергии, которую двигатель преобразует в механическую.
В конце 70-х начале 80-х годов прошлого века наряду с разработкой и исследованием рабочих процессов ДВС на водороде получило развитие другое направление - использование водорода в смеси с углеводородными топливами и, в первую очередь, с бензином [17,18]. Это направление интересно тем, что при незначительной модификации серийного двигателя позволяет значительно повысить его топливную экономичность, снизить количество вредных выбросов с ОГ и существенно снизить расход бензина [19-24].
При питании двигателя бензином с 5%-й добавкой водорода (по массе от суммарного расхода топлива) и коэффициента избытка воздуха ос=1,05 максимальная мощность сохраняется на уровне мощности базового двигателя [2,23]. При этом на 30% снижается расход бензина и значительно уменьшается эмиссия COn, CmHn.
При полном открытии дросселя и одинаковом значении мощности удельный эффективный расход топлива ge при работе с 5%-й добавкой водорода снизился на 11,5% и составил в пересчете на бензин 217 г/кВт-ч против 260 г/кВт-ч при работе на бензине [2].
Водород как правило хранится на борту автомобиля в газообразном или сжиженном состоянии с использованием баллонов [25-29]. Например, электромобиль Honda FCX оснащен двумя баллонами водорода емкостью 156,6 л., находящимися под давлением 350 атм. Баллоны установлены в задней части электромобиля. Они имеют трехслойную конструкцию: внутренний слой представляет собой алюминиевую гильзу, средний слой -стекловолокно [25,26].
Одним из вариантов хранения водорода является использование компактных металлогидридных аккумуляторов высокочистого водорода многократного действия. Такие аккумуляторы должны выделять и поглощать водород при температуре окружающей среды [30-32]. Для обеспечения питанием водородно-воздушных топливных элементов мощностью 0,5-10 кВт они должны выделять водород под давлением 2-5 атм со скоростью 10 100 л/мин, а для портативных топливных элементов мощностью 2-100 Вт -при 1,1-1,5 атм со скоростью 0,2-5 л/мин [32].
Другим способом получения водорода является применение химических генераторов водорода, основанных на термическом разложении гидридов или на реакции взаимодействия с водой металлов и гидридов. Для создания источников водорода термолизпого типа можно использовать гидриды алюминия и магния или аминобораны, а также композиты на их основе. Для создания генераторов водорода гидролизного типа перспективны активированные алюминий и магний, их сплавы, гидриды легких металлов, боргидриды и алюмогидриды щелочных металлов [33,34].
Одним из наиболее реальных и перспективных путей решения этой проблемы является создание эффективной технологии сорбционного хранения (аккумулирования) водорода на борту автомобиля в наноуглеродных материалах (сорбентах) [35-37].
Новые углеродные наноматериалы были названы многими исследователями в качестве перспективных сорбентов водорода для хранения на борту автомобиля [38-41]. Во многих исследованиях 1997-2005 гг. [42-45] в определенной мере рассматривались актуальные «открытые» вопросы о природе, механизмах, кинетике и предельных значениях сорбции водорода углеродными наноструктурами, а также о перспективах их использования в качестве материалов водородной энергетики [46,47].
Определение потенциалов разложения «ГҐ-ТЗЛ»
Термический анализ служит для исследования процессов, происходящих в веществе при непрерывном нагревании и охлаждении. При помощи термического анализа можно идентифицировать отдельные химические соединения, производить их фазовый анализ. Поскольку термолиз протекает с поглощением или выделением тепла, то термический анализ может быть использован для определения теплофизических свойств вещества. По кривым термического анализа определяют энергию активации и порядок реакции [107].
Процесс термического разложения многих твердых веществ является сложным гетерогенным процессом, включающим множество промежуточных стадий. По совокупности всех стадий можно судить о механизме термолиза.
Термогравиметрический метод используется также для определения гидратного состава соединения. Вода, входящая в координационную сферу отщепляется при более высокой температуре, чем вода, не . связанная непосредственно[108]. Однако, данные рентгеноструктурного анализа[107,108] показывают, что такая зависимость не всегда соответствует действительности. Установлено, что в ходе дегидратации может происходить структурная перестройка соединения [108], а присутствие в нем сильно поляризующихся анионов часто усложняет процесс дегидратации [109].
Термическое исследование всех синтезированных соединений производилось на венгерском дериватографе системы Ф.Паулик, И.Паулик, А.Эрдей. Этот прибор позволяет регистрировать наряду с кривыми дифференциально-термического анализа (ДТА), температурой(Т), кривую убыли Maccbi(TG) и скорость изменения Maccbi(DTG).
Начало отклонения кривой ДТА от установившегося направления указывает на начало превращения в периферийных слоях образца, как более нагретых. Максимальное отклонение кривой ДТА определяет момент, близкий к моменту полного окончания превращения [109]. За температуру фазового превращения принимается температура, соответствующая максимальному отклонению дифференциальной кривой. Дериватограммы снимались при следующих условиях: сопротивление в цепи ДТА-1/10, цепи DTG-1/5. Нагревание велось от комнатной температуры до 1273К со скоростью 10 град/мин., исследуемое вещество в количестве 200мг помещалось в кварцевый тигель. Цена одного деления весовой шкалы равнялась 2мг. Для изучения процесса дегидратации скорость нагревания составляла 2,5 град/мин., при этом навеска в количестве 200 мг распределялась на платиновых тарелках. Цена деления весовой шкалы TG при этом составляла 0,5 мг. В качестве эталона применялся прокаленный оксид алюминия. Температура измерялась платино-платииородиевой термопарой. Погрешность измерения температуры составляла ±0,5 К. Для определения состава промежуточных продуктов проводилось изотермическое прокаливание продуктов при температурах соответствующего эффекта в печи с внутренним обогревом в квацевых тиглях. Прокаливание велось до постоянной массы с точностью ±5мг. Масса фиксировалась торсионными весами типа ВТ-500.
В последнее время для получения прямой информации о природе взаимодействия и состоянии адсорбированных молекул, хемосорбционных комплексов, строении полимеров широко применяются спектральные методы исследования. Среди них наибольшее признание и распространение получила инфракрасная спектроскопия благодаря высокой чувствительности и универсальности при исследовании самых разнообразных систем. Ее применение имеет большое значение и в изучении структуры молекул [110].
ИК-спектры обусловлены переходами между дискретными колебательными и вращательными энергетическими уровнями молекул. Энергию для такого перехода можно получить от источника инфракрасного излучения. И полоса поглощения будет наблюдаться при соответствующей частоте. Колебание молекул можно описать с помощью растяжения, изгиба или деформации связи и крутильных колебаний. Частота различных типов колебаний определяется механическим движением молекулы и зависит от силовых постоянных связей между атомами и масс колеблющихся атомов. Интенсивность полос поглощения в ИК-спектре определяются электрическими факторами: дипольными моментами и поляризуемостями.
Определенные структурные группы атомов дают колебательные полосы в одной и той же области ИК-спектра независимо от сложности молекулы, в которой эти группы находятся. Можно предположить, что данное колебание локализовано в дайной структурной группе, хотя при нормальном колебании каждый атом в молекуле совершает периодическое смещение в той же самой фазе и с той же самой частотой.
Небольшие изменения характеристических частот колебаний группы обусловлены локальными отличиями в структуре молекулы вследствие или внутримолекулярного взаимодействия групп, или межмолекулярного взаимодействия с окружающими молекулами. Такие изменения в частотах и используются для исследования взаимодействий между определенной группой и ее окружением. Таким образом, изучение ИК-спектров позволит решить ряд вопросов, касающихся строения соединений. Снятие ИК-спектров проводилось на Фурье-спектрометре INFRALUMFT 801 на образцах в виде тонких пленок в диапазоне 500-4000 см"1.
МЭБ с соосными электродами
В последнее время появились разработки системы порционной подачи водорода, генерируемого электролизёром на борту автомобиля. При такой комплектации возникает ряд инженерных задач связанных с размещением на борту конструктивных элементов входящих в систему подачи водорода (накопительная ёмкость, электролизер, блок питания и управления).
В ряде работ предлагается усовершенствовать непосредственно детали и системы ДВС [127]. Представлен принцип для реализации в системе питания инжекторного ДВС. Электролизёр 12 (рис. 4.1) устанавливается во впускной коллектор между дроссельной заслонкой 5 и впускным клапаном. Это снижает нагрузки на элементы конструкции электролизёра и снижает затраты на установку дополнительных деталей.
В данном способе разлагается вода, находящаяся в воздухе, который дополнительно увлажняется. Помимо водорода генерируется кислород. Электролитом служит композит, обладающий ионной проводимостью, электроды - выполнены в виде сетки.
Для интеграции МЭБ электролизёра во впускную систему ДВС, необходимо изготовить трубчатый вариант электролизёра, который беспрепятственно размещался во впускной трубе, либо впускную трубу модернизировать элементами для разложения воды. Модель электрода и корпуса электролизёра приведены на рисунке 4.2. Рис. 4.1. Система питания четырёхтактного инжекторного ДВС: 1- подвижные элементы кривошипо - шатунного механизма, 2- неподвижные
Элементы электролизёра: а) сетчатый электрод; б) корпус Основным элементом такого электролизера является протонпроводящая мембрана. Обычно она представляет собой пленку из полимера с гидрофобной основной цепью и кислотными группами в боковых цепях. Основной функцией протонообменной мембраны является перенос в катодную область протона, образовавшегося в результате ионизации водорода на аноде. Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода составляют около 4 кВтч, а на один литр - 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,234 литра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется 1,234x4=4,94 Втч.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение производительности и ресурса электролизёра, упрощение установки электролизёра, повышение экономической и экологической эффективности работы двигателя.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый битопливный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр с рубашкой охлаждения, образующие блок цилиндра, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, впускной трубопровод, впускной и выпускной клапаны, свечу зажигания, систему подачи топлива и источник водорода. Источник водорода выполнен в виде электролизера, который установлен во впускном трубопроводе, не препятствуя свободному проходу воздуха. Электроды выполнены в виде соосно расположенных цилиндров, разделённых между собой полимерной протонпроводящей мембраной, выполняющей функции электролита и сепаратора.
Битопливный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1 (рис. 4.3) с рубашкой охлаждения, например с принудительной циркуляцией жидкости, образующие блок цилиндра, поршень 2, соединённый с кривошипно-шатунным механизмом, и головку цилиндра 3, образующие камеру сгорания 4. С камерой сгорания 4 посредством впускного 5 и выпускного 6 клапанов с принудительным приводом, например, распределительным валом связаны впускной 7 и выпускной 8 трубопроводы, соответственно. В головке цилиндра 3 установлена свеча зажигания 9. Двигатель внутреннего сгорания также содержит систему подачи топлива, включающую форсунку 10 и источник водорода, расположенный во впускном трубопроводе 5. Источник водорода выполнен в виде электролизера 11, полость которого разделена полимерной протонпроводящей мембраной 12 на катодное и анодное пространство, где размещены электроды электролизёра (катод и анод).
Армирующие элементы придают механическую прочность и жесткость конструкции и закреплены во впускном трубопроводе 5 посредством, например, болтового соединения с возможностью подачи на электроды электрического тока, подведенного, например, от бортового аккумулятора 12. В армирующих элементах электролизера выполнены отверстия, расположенные с возможностью подвода к электролизеру воды (в виде пара) и отвода кислорода и водорода. Полимерная протонпроводящая мембрана электролизера может быть выполнена на основе ПАН и ССК (рассмотренных в главе 3). Толщину мембраны выбирают в зависимости от плотности тока от 0,05 до 1,0 мм, интервал рабочих температур мембраны - от 270 до 375 К. Размер электролизера выбирают в зависимости от размера впускного трубопровода и требуемой производительности водорода.
