В прошлой статье мы обзорно подняли вопросы, касающиеся апгрейда и смены топлива для двигателей внутреннего сгорания, в том числе обратив своё внимание на достаточно нестандартные и нетипичные варианты — малознакомые широкой публике, как-то — «лить воду в двигатель», например.
Многие рассмотренные вопросы мы затронули только вскользь, где, тем не менее, за многими из них стоит огромная теоретическая база наработок — как науки, так и энтузиастов.
Поэтому, ввиду крайней интересности вопроса, в этой статье мы попробуем более подробно остановиться на одном из них (извлечение водорода).
До начала рассмотрения, думаю, стоит ещё раз напомнить, насколько интересен рассматриваемый круг вопросов: по сути, от того, как увеличить эффективность двигателей внутреннего сгорания, перевести их на более доступное топливо, уменьшить его потребление — зависит решение насущных потребностей огромного количества людей…
По большому счёту, решение этого вопроса (например, в рамках какого-либо стартапа), позволяет создать начинание не «высосанное из пальца» и никому не нужное, а вполне уже изначально полезное для людей!
Тем более что сама задача вполне интересная не только с точки зрения конечного результата, но и мозгового штурма в процессе…
В прошлой статье мы обзорно узнали, что существует как минимум три (этот список не исчерпывающий) весьма интересных направления, для увеличения эффективности двигателей внутреннего сгорания.
Кратко вспомним их все ещё раз:
Увеличение физической плотности сжигаемого топлива: этот способ позволяет в единицу времени сжигать больше вещества, оставаясь в рамках того же количества топлива по объёму — то есть, проще говоря, можно получать повышенное давление в цилиндрах двигателя, превышающее то, которое могло бы быть получено в рамках стандартных способов.
Соответственно, чем больше давление, тем сильнее оно давит на поршень и, соответственно, тем большее усилие позволяет передавать и на исполнительные механизмы (например, колёса авто).
Правда, на этом пути есть и объективные проблемы: создание искусственных, более уплотнённых топлив является проблемным и дорогим вопросом, а уже существующие топлива большей плотности (скажем, банальная замена бензина дизельным топливом (чтобы заливать его в бензиновый двигатель)), делают его возгорание трудновоспроизводимым и даже опасным для двигателя.Увеличение «плотности» подаваемого воздуха: всем известный турбонаддув и гораздо менее известное — замена подаваемого в двигатель воздуха — озоном (O3 озона против O2 кислорода воздуха позволяет закачивать больше окислителя, в рамках того же объёма, за тот же период времени).
Увеличение температуры сгорания топлива: так как двигатель тепловой, то, по сути, все действия на этом пути направлены только на одно — увеличить давление в цилиндре, но уже за счёт температуры, так как при прочих равных, продукты сгорания большей температуры — обладают большим давлением…
И именно поэтому бензин безоговорочно выигрывает, например, у спиртов (этилового, метилового), так как позволяет развивать большую температуру при сгорании, чем они (сравнительный список по теплотворности показан чуть ниже).
Начнём наше рассмотрение, пожалуй, с последнего*…
*Ввиду невозможности уместить в рамки одной статьи сколь-нибудь подробное рассмотрение всех поднятых вопросов (ввиду их объёмности), — они будут рассмотрены в ряде статей.
Для этого приведём краткое перечисление топлив (список из прошлой статьи) по теплотворности из нашей предыдущей статьи:
Водород: 120,9 МДж/кг.
Бензин: 44,4 МДж/кг.
Дизельное топливо: 42,6 МДж/кг.
Этиловый спирт: 30 МДж/кг.
Метиловый спирт: 22,7 МДж/кг.
Как мы видим, водород является наиболее теплотворным компонентом в этом списке и, в связи с этим, видится довольно интересным его задействование в процессе сгорания!
В прошлой статье мы рассматривали такой интересный способ, который был задействован ещё во времена Великой Отечественной войны рядом двигателей (правда, зарубежного производства) — впрыск воды вместе с воздухом.
Тогда это, правда, использовалось для иных целей — снизить вероятность детонации в двигателе при одновременном повышении степени сжатия. Несмотря на внешнюю парадоксальность такого подхода, он вполне себе работал (я там приводил много ссылок, можете почитать).
Глядя на всё это с современных позиций, неизбежно приходит логичная идея ещё больше «апнуть» этот подход — разлагать воду на кислород и водород, и сразу подавать их для сжигания в двигателе!
Правда, на этом пути сразу встаёт многим известная преграда: проблемность получения этих газов в больших количествах «на лету» — так как наиболее широко известный широким массам (ещё со школы) способом производства таких газов является электролиз (недостаточно производительный) — с помощью опущенных в токопроводящую жидкость (например, подсоленную воду) электродов:
Тем не менее, как выясняется, существуют и гораздо более эффективные варианты!
Потому что, этот известный многим способ, является крайне энергозатратным и медленным, и в качестве альтернативы наука уже давно знает совершенно другой подход — плазменный электролиз!
Чем он отличается от обычного электролиза (показанного на картинке выше)?
Сначала зайду издалека... ;-)
Учёные выяснили, что существует зависимость между температурой и напряжением (которое необходимо подавать на электроды во время электролиза), где эту зависимость можно выразить, в общем случае, так: «чем выше температура, тем, при прочих равных, требуется всё меньшее напряжение для электролиза (т. е. разложения воды); справедливо и обратное утверждение (до определённых пределов)».
Таким образом, одним из способов увеличения «эффективности» процесса разложения воды на кислород и водород является понижение напряжения на ячейках электролизера (правда, параллельно необходимо затратить и энергию на нагрев, поэтому выше слово «эффективности» взято в кавычки).
Этот факт хорошо иллюстрирует следующая картинка:
По ней хорошо видно, что при 25°C требуемое напряжение на электродах ячейки составляло бы 1,23 В, тогда как при 600°C такое потребное напряжение упадёт уже до 1,04 В!
Если проследить общую тенденцию (то есть направление линий на графике выше), то нетрудно заметить, что при дальнейшем повышении температуры требуемое напряжение можно уронить даже ниже 1 В.
Другими словами, можно сказать, что высокая температура существенно облегчает разрушение молекулы воды.
Кстати говоря, подобное свойство воды, с ещё большим повышением температуры, приводит даже к её термическому разложению — это вполне типичная для неё вещь, и начинается оно уже при 2200°C (как подсказывает нам вики), даже без какого-либо приложения электрического тока.
Это является причиной того, что особо высокотемпературные пожары нельзя тушить водой — вместо тушения огня можно получить большое количество кислорода и водорода, что «никоим образом не будет способствовать угасанию проблемы». :-)
На определённом моменте (предположительно в XIX веке, когда происходило множество электрических открытий; но точных данных я не нашёл — это просто мои мысли), учёные заметили, что плазменные процессы существенно ускоряют электролиз, многократно увеличивая выход газов.
По крайней мере, некоторое время назад, я уже рассматривал подобный процесс, только с несколько другой стороны — для практически мгновенной (секунды-минуты) полировки до зеркального состояния металлов.
Если изучить этот процесс, то становится понятно, как промышленным способом изготавливают зеркально-полированные (без малейших царапин!) металлические изделия, которые мы можем видеть в изобилии в магазинах: консервные ножи, ложки, вилки, разнообразные металлические миски и т. д.
Там я приводил литературу, где по датам её выпуска (1960-е годы), уже можно судить, что даже тогда процесс был известен…
Однако, как выясняется, возможности процесса не ограничиваются только этим, и вторым наиболее его примечательным свойством является получение большого количества газообразного кислорода и водорода!
В процессе изучения этого вопроса я тут нашёл весьма любопытную статью, ознакомившись с которой мы можем понять основные ключевые параметры и особенности процесса, которые я и привёл ниже. Итак…
По внешнему своему виду, установка для плазменного электролиза (по крайней мере, жидкостная её часть — сосуд и электроды), весьма похожа (на первый взгляд), на установку для обычного низковольтного электролиза.
Однако, если приглядеться, становятся видны и различия — первым и наиболее заметным является существенная разница в площадях двух электродов, используемых в процессе: в качестве одного из электродов взята пластина из нержавеющей стали, а в качестве другого — вольфрамовый стержень, площадь которого примерно в 12 раз меньше, чем у пластины (такая конфигурация выбрана умышленно, чтобы увеличить напряжённость электрического поля на поверхности объекта малой площади — то есть облегчить зажигание плазмы на стержне).
Они там подробно не поясняют, почему используют нержавеющую сталь, однако я знаю по опыту изучения других материалов, что нержавеющую сталь или, в некоторых других случаях, свинец (как в пластинах автомобильных аккумуляторов), стараются использовать, так как они весьма стойки к действию агрессивных сред.
А здесь они с целью увеличения токопроводности использовали не чистую воду, а водный раствор едкого кали (KOH) — для сопротивления разрушающему действию которого и применили нержавеющую сталь (как я это понимаю).
Что же касается вольфрама, то тут как раз всё понятно — именно на нём горит плазма и нужен устойчивый к разрушению материал…
Для дальнейшего рассмотрения приведём график вольт-амперной характеристики, где будем изучать процесс поэтапно, на базе него:
Как можно видеть по графику, по вертикальной оси приведена сила тока, а по горизонтальной — приложенное напряжение, и сам процесс условно может быть разделён на три фазы, обозначенные римскими цифрами: I, II, III.
Кроме того, на графике мы можем видеть сразу две кривые, где одна из них обозначена буквой P (видимо, подразумевается Positive) — эта кривая характеризует случай, когда меньший по площади электрод (т. е. вольфрамовый стержень) подключён к положительному полюсу источника питания, и, в свою очередь, кривая, обозначенная буквой N (видимо, подразумевается Negative), свойственна случаю, когда к вольфрамовому стержню подключён отрицательный полюс источника питания.
Таким образом, при подключении постоянного источника тока начинается процесс классического электролиза (зоны на графике I…II), в ходе которого в пределах зоны (I) мы видим, что и сила тока, и напряжение растут до определённого момента* (переход между зонами I-II), где затем, мы видим, что сила тока резко падает.
Это связано с тем, что до определённого момента повышение напряжения приводит к предсказуемому и понятному результату — ко всё большей интенсификации процесса газовыделения на электродах.
*Как заявляется в статье, величина напряжения, необходимая для начала падения силы тока, сильно зависит от проводимости раствора: экспериментально были протестированы следующие соотношения (правда, они тут отходят от изначально рассматриваемого раствора KOH как идеального варианта для обеспечения проводимости, переходя на рассмотрение растворов KCl — так как сами цитируют других исследователей, которые, насколько я понимаю, экспериментировали именно с этими растворами):
При содержании около 3 граммов KCl на литр воды это пороговое напряжение составляет 270 В.
При около 300 г/л KOH (у них там в статье опечатка, похоже, была насчёт KCl и 600 мСм/см, когда они копировали информацию из старых источников; но надо копать глубже и разбираться) оно уже падает до 30 В.
Однако, в определённый момент, газовыделение становится настолько интенсивным, что вокруг (как минимум, но не ограничиваясь им) электрода малой площади, образуется плотная газовая подушка, практически полностью изолирующая этот электрод от жидкого раствора — как они там в статье заявляют, согласно исследованиям ряда учёных, такая газовая подушка скачкообразно увеличивает сопротивление системы — которое подпрыгивает примерно до 10 кОм, что, соответственно, приводит к резкому падению величины протекающего тока.
Как видно по графику выше — этот процесс стартует с начала фазы (II) и продолжается вплоть до начала фазы (III), где при этом наблюдается парадоксальная картина — напряжение растёт, а сила тока — падает и падает!
Понятно, что долго так продолжаться не может, и, в определённый момент*, напряжение становится настолько большим, что приводит к ионизации газов и водяных паров вокруг электрода (обычно этот процесс начинается на электроде малой площади) — то есть, вокруг электрода загорается плазма и фаза (II) заканчивается, переходя в фазу (III). Как мы видим по графику выше, дальнейшее повышение напряжения приводит уже ко вполне предсказуемому результату — росту величины протекающего тока.
*Так же, как и в случае выше, где рассматривался пороговый переход между зонами (I) и (II), здесь же, при переходе между зонами (II) и (III), соотношения требуемых для зажигания плазмы напряжений выглядят как 310 В и 90 В, соответственно.
При этом, как отмечается, напряжение зажигания плазмы сильно зависит от полярности: когда к тонкому вольфрамовому электроду подключён отрицательный полюс источника питания, это происходит легче.
Кроме перечисленных выше растворов, производилось и тестирование с раствором K2SO4) (примерно 8,7 г/л воды), где было обнаружено, что при катодном режиме (минус на вольфрамовом электроде) для зажигания плазмы достаточно 160 В, тогда как при анодном (плюс на вольфрамовом электроде) потребуется уже 420 В.
Если обратить внимание на картинку ниже, где анодный и катодный режимы приведены в виде двух условных вертикальных колонок, то можно увидеть, как выглядит этот процесс внешне, а также узнать, какие газы выделяются в ходе него, на каждом из электродов:
Самое интересное, что при плазменном электролизе выход газов существенно превышает таковой при классическом электролизе — в рассматриваемой нами статье для осознания этого момента приводится очень интересная таблица 5, в которой, для удобства, я выделил те места, на которые надо смотреть (картинка кликабельна):
Как видно из таблицы, если мы посмотрим на существующие способы производства водорода, то видно, что технология плазменного электролиза (в чистом виде, если использовать только водный раствор некой соли) уступает существующим промышленным технологиям производства водорода (в том числе AEL, т. е. обычному электролизу).
Тем не менее, как можно видеть, всё кардинально меняется, если состав ванны для электролиза включает в себя метанол в количестве 50% от объёма: в таком случае лучший результат обычного классического электролиза (21,4) соотносится с результатом плазменного электролиза раствора с метанолом (84,34) как 1: ~3,94.
То есть, проще говоря, с помощью плазменного электролиза спиртово-водной ванны можно достичь газопроизводительности, превышающей производительность классического электролиза (на лучших промышленных установках!) в 3,94 раза!
В одном из разделов рассматриваемой нами статьи приводится любопытная информация касательно того, насколько сильно добавление органических составов (например, спиртов и уксусной кислоты) влияет на производство водорода, в рамках одного и того же плазменного процесса: скажем, добавление этилового спирта увеличило в тестах производительность по водороду в 21,4 раза и энергетическую эффективность* в 3,6 раза с одновременным снижением общего энергопотребления в 17,9 раза.
Причиной этого является гораздо более лёгкая разрушаемость молекул спиртов (по сравнению с молекулой воды) и, соответственно, более лёгкое извлечение водорода из них.
Теоретически можно было бы подумать, что тогда, раз всё так хорошо при добавлении спиртов — можно было бы использовать в чистом виде спиртовую ванну и проводить её электролиз!
Однако проблема заключается в плохой проводимости тока спиртами, поэтому здесь, насколько я это понимаю, получается своеобразный симбиоз: водно-солевой раствор служит для проведения тока, а спирт просто как бы «присутствует рядом», подвергаясь воздействию разрушающих факторов (о них ниже).
*Об этом мы ещё не говорили, но одна из причин такой высокой эффективности плазменного электролиза, заключается в том, что при классическом электролизе работает только один фактор, направленный на разложение воды — электрический ток и движение носителей заряда сквозь раствор.
В рамках же плазменного электролиза, на процесс разложения раствора работает аж четыре фактора:
Жёсткий ультрафиолет (т. е. фотоны с высокой энергией), излучаемый плазмой разряда, разрывает связи в молекулах;
Поток электронов, летящих от отрицательно заряженного электрода, сталкивается в плазменном пузыре с молекулами и разрушает их;
Получившиеся в результате таких ударов положительно заряженные ионы летят в обратную сторону, сталкиваясь по пути как с другими молекулами (также разбивая их), так и с поверхностью отрицательно заряженного вольфрамового электрода и увеличивая его температуру, вызывая в дальнейшем воздействие четвёртого фактора:
Высокая температура плазменного разряда приводит к высокотемпературному разложению молекул как воды, так и спиртов.
Таким образом, как мы видим, процесс сам по себе довольно интересный — как минимум для ознакомления… :-)
А там кто его знает... ;-)
Правда, всё равно понятно, что для такого процесса требуется достаточно большое (относительно) количество электроэнергии, поэтому, если это рассматривать как один из вариантов внедрения в автомобили, а не стационарную установку, может быть довольно проблемным…
Тем не менее, существуют и гораздо более эффективные процессы в рамках тех подходов, которые были перечислены в самом начале статьи! В том числе — практически дармовые, не требующие электроэнергии! ;-)
Ввиду крайней объёмности материала, его очень сложно уместить в одну статью, поэтому эти и другие подходы мы рассмотрим в следующих статьях далее… ;-)
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
