Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях. Автомобиль на топливных элементах
АВТОМОБИЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ | Наука и жизнь
Автомобиль вошел в нашу жизнь так широко, что породил немало проблем, многие из которых требуют безотлагательного решения. Наиболее серьезные из них - шум и загрязнение воздуха. Предсказывают, что через 20-30 лет нефть кончится. Естественно, возникает вопрос: чем заменить нефтяное топливо, чтобы сделать автомобиль безвредным для окружающей среды, а заодно и сберечь нефть для более важных целей, чем работа двигателя внутреннего сгорания?
В США серьезная борьба с загазованностью атмосферы началась с 60х годов прошлого столетия, в Европе - в 80-х. Сейчас принятые нормы токсичности (содержание вредных веществ в отработанных газах) автомобилей в Западной Европе и в США почти не различаются. Последние отечественные модели автомобилей тоже соответствуют принятым во всем мире нормам.
Основные компоненты, с которыми приходится бороться, - окись углерода, двуокись углерода, углеводороды и окислы азота. В зависимости от режима работы двигателя, они поступают в атмосферу в разных количествах и в разных пропорциях. Выполнить нормы, соответствующие стандартам ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4, технически вполне возможно, дозируя поступление топлива в цилиндры двигателя и очищая выхлопные газы каталитическим нейтрализатором. Нейтрализатор начинает работать при температуре 600оС. Нагревается он выхлопными газами. На это уходит время, в течение которого выхлопные газы полностью еще не очищаются.
Казалось, электромобиль, который гарантирует тишину и чистый воздух, - наилучший выход из сложившейся ситуации. Идея его создания была особенно популярна в 70е годы, когда прорабатывалась американская программа нулевой токсичности. Но на пути экологически чистой машины появились препятствия, которые помешали ей стать единственным и окончательным решением проблемы.
До сегодняшнего дня нет способа компактного хранения электрической энергии, который позволял бы без подзарядки проезжать столько же, сколько можно проехать на одной заправке бензобака. И если представить себе электромобиль, способный пробежать 600 км, то он сможет везти только аккумуляторы, а время их заправки составит восемь часов. Следует также отметить, что стоимость этих аккумуляторов в несколько раз превосходит стоимость самого автомобиля. Пытались вместо аккумуляторов применить конденсатор ные батареи. Они быстро заряжаются, но так же быстро и разряжаются.
В настоящий момент по земле ездят несколько сотен миллионов автомобилей. Представьте, что будет, если их все станут заряжать одновременно. Откуда взять столько электроэнергии? Чтобы перевести все автомобили на аккумуляторы, необходимы электрические мощности, равные тем, которыми сегодня располагает человечество. А это значит, что надо как минимум удвоить производство электроэнергии.
Для снижения суммарной токсичности автомобилей американцы решили "разбавлять" автомобили с двигателями внутреннего сгорания электромобилями. Согласно этой идее, часть выпускаемой продукции каждого автопроизводителя должны составлять электромобили. Таков следующий шаг по уменьшению токсичности.
Но есть и другое решение. 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а "побочным" продуктом реакции становится электричество. Принцип его работы, грубо говоря, таков: имеется некая пластина, обладающая свойством пропускать протоны и не пропускать электроны. С каждой ее стороны - два электрода - положительный (анод) и отрицательный (катод), связанные между собой в электрическую цепь. С одной стороны пластины подается водород, с другой - кислород. Катализатор, нанесенный на пластину, активирует реакцию расщепления водорода на протон и электрон. Протон проходит через пластину и, соединяясь с кислородом, дает воду. А электрон уходит в подсоединенную электрическую цепь.
Водородно-кислородные топливные элементы были применены на американских и российских лунниках, на "Шаттле" и "Буране". Как часто случается, космические технологии нашли применение и на земле, в автомобильной промышленности.
Топливный элемент, призванный заменить двигатель внутреннего сгорания, состоит из множества ячеек (маленьких генераторов). Напряжение каждой ячейки - от 0,6 до 1,0 В. Соединив ячейки последовательно, можно получить необходимое напряжение. Сегодня мы располагаем технологиями, позволяющими делать ячейки толщиной в полтора миллиметра. Значит, можно добиться того, что масса и габариты новой топливной установки останутся теми же, что и у двигателя внутреннего сгорания равной мощности.
Большая проблема - цена топливной установки (сегодня она примерно в 100 раз дороже двигателя внутреннего сгорания), потому что в ее изготовлении используются дорогие материалы и очень деликатные технологии. Без кропотливой работы по материалам и конструкции, а главное - по созданию технологии массового производства задачу не решить.
Чтобы топливная установка заработала, нужно разместить на борту автомобиля баллоны с газообразным водородом и кислородом. Отсюда - сложности. Во-первых, баллоны с газом занимают много места, а во-вторых, возить их в непосредственной близости друг от друга небезопасно. Поразмыслив, ученые решили, достаточно возить с собой только баллон с водородом, а кислород можно взять из воздуха.
На Волжском автомобильном заводе работы по автомобилям на топливных элементах были начаты в 2000 году, а в 2001 году собран первый автомобиль на топливных элементах - "Антэл-1". Скорее это был не автомобиль, а макет или лаборатория на колесах. Собран он из агрегатов, разработанных ранее для "Бурана", электромобилей и автомобилей ВАЗ и адаптированных для совместной работы на автомобиле.
"Антэл-1" собран на базе пятидверной Нивы. В салоне по-прежнему осталось пять мест. Энергоустановка, работающая на водороде и кислороде, мощностью 17 кВт вырабатывала ток напряжением 120 В. Впоследствии ее заменили на более мощную - 25 кВт. Максимальная скорость была соответственно 70 и 85 км/ч. Емкость баллонов для водорода и кислорода составляла 60 и 36 л, давление газов - 250 атм. Пробег такого автомобиля на одной заправке - 200 км. Энергоустановка разместилась в багажнике автомобиля, а системы управления, тяговый двигатель и стартовая аккумуляторная батарея - под капотом. По сравнению с базовой моделью масса автомобиля увеличилась на 250 кг.
Автомобиль "Антэл-1" демонстрировался на 5-м Московском международном автосалоне, и после его закрытия на Дмитровском автополигоне были проведены тестовые заезды для журналистов.
Работа с "Антэл-1" показала, что на достаточно быстрый разгон первому автомобилю на топливных элементах не хватает мощности. Для того чтобы исключить проблему, решили использовать буферный источник тока. Им стала аккумуляторная батарея. Буферная система работает по принципу: принять - выбросить.
Для нового автомобиля "Антэл-2" была разработана никель-металлгидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоемкостью ( емкость батареи - 10 А.ч) и напряжением 200 В, способная быстро заряжаться и разряжаться. Новая батарея позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза за счет энергии, "принятой" при торможении. Когда происходит торможение автомобиля, то кинетическая энергия превращается в "Антэл-2" в электрическую. Она заряжает аккумуляторную батарею. При разгоне энергия буферной аккумуляторной батареи подается на тяговый электродвигатель, дополняя энергию генератора.
Тормозная система автомобиля тоже претерпела изменения. На автомобиле "Антэл-2" установлен компактный электроусилитель тормозов, благодаря которому управлять автомобилем стало гораздо легче.
"Антэл-2" проезжает без подзарядки 350 км. На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, оснащенная тремя сверхлегкими и прочными баллонами по 30 л. Водород в них находится под давлением 400 атм.
На то, чтобы закачать в 60-литровый баллон (на "Антэл-1") водород под давлением 250 атм, уходило два часа. Это никого не устраивало. Но если не закачивать газ в пустой баллон, а дать ему туда перетечь из некой емкости, в которой он хранится под определенным (необходимым и постоянно поддерживаемым) давлением, то на всю процедуру уйдет 5-10 минут. Именно такая технология внедрена на "Антэл-2". Сейчас мы строим опытную заправочную станцию.
В "Антэл-1" очень много времени уходило и на запуск установки. Чтобы автомобиль тронулся с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60оС (на полную мощность он выходит при 95оС). Время запуска автомобиля "Антэл-2" удалось сократить до 10-15 минут благодаря специальным нагревателям, установленным прямо в генератор. Питаются они от буферной батареи. При достижении температуры 60оС включается генератор, который, работая, сам выделяет тепло; таким образом, время выхода на максимальную мощность сокращается.
С самого начала было понятно, что возить в непосредственной близости баллоны с водородом и кислородом опасно, к тому же они занимают много места и требуют заправки. Поэтому задача перевести работу электрохимического генератора кислорода на воздух ни у кого не вызывала сомнения. Во втором автомобиле на топливных элементах мы ее решили: "Антэл-2" укомплектован первым отечественным щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 В и мощностью 25 кВт. Система оснащена компрессором, способным подавать 100 кг воздуха в час в батарею топливных элементов под давлением 3,3 атм.
Так как в устройстве генератора используется щелочь - едкий калий (им пропитывается пластина, разделяющая водородную и воздушные полости), пришлось разработать систему очистки воздуха (до тысячных долей процентов) от углекислого газа, дабы избежать реакции превращения щелочи в соль.
Еще для автомобиля "Антэл-2" разработан новый тяговый электродвигатель переменного тока максимальной мощностью 90 кВт, напряжением 200-300 В, кпд более 90% и массой 30 кг (электродвигатель "Антэл-1" имел показатели соответственно: 25 кВт, 120 В, 75% и 68 кг).
Остается отметить, что "Антэл-2" представляет собой пятиместный "Универсал" с полноразмерным багажником (базовой моделью послужила ЛАДА 111). А все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.
Работа над следующим автомобилем на топливных элементах уже идет. В первую очередь вместо газобаллонного хранения водорода на новом автомобиле будет установлен топливный процессор для получения водорода из бензина на борту автомобиля. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Испытания "Антэл-2" покажут и другие направления, в которых следует работать.
Сегодня весь мир работает над созданием чистых автомобилей, в которых топливом служит водород. Но путь этот - не единственный. Перейти на один вид транспорта не удастся, да и не нужно. Для разных целей должны использоваться разные машины. Например, если на аккумуляторном электромобиле развозят по магазинам города хлеб и колбасу, а водитель, закончив работу, отправляется отдыхать, то длительная подзарядка аккумуляторов никому не повредит. А где подзаряжаться? Французы и швейцарцы уже решают этот вопрос. На любой бензозаправке есть розетка: включаешь в нее разъем, опускаешь монету и заряжаешь электромобиль. Такие же розетки есть во дворах жилых домов. Есть много ситуаций, в которых выгодно и экономично использовать именно этот вид транспорта. Электромобиль нужен для ближних поездок, а в гараже должен стоять еще и автомобиль (может быть, водородный) на "дальнюю дорогу".
Хочу воспользоваться случаем, чтобы поблагодарить наших партнеров по работе над созданием автомобилей на топливных элементах с Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск), Уральского электромеханического завода и из Научно-производственного объединения "Автоматика" (г. Екатеринбург), Научно-исследовательской лаборатории двигателей (г. Рыбинск), ВНИИ экспериментальной физики (г. Саров), Института катализа Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), Аккумуляторной компании "Ригель" (Санкт-Петербург), Ракетно-космической корпорации "Энергия" (г. Королев).
www.nkj.ru
Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях: engineering_ru
Toyota Mirai - первый в мире автомобиль на водородных топливных элементах, который можно будет купить, а не взять в лизинг.Но я хочу поговорить не столько об этом событии, сколько о том, почему даже появление первого автомобиля на топливных элементах, который можно купить, ничего не меняет для водородных автомобилей, и почему эта ветвь развития является абсолютно тупиковый. Илон Маск, CEO Tesla Motors, называет топливные элементы (fuel cells) "fool cells" (элементы одурачивания), аккумуляторные эксперты сходятся в том, что все в индустрии знают, что топливные элементы это ерунда, просто не все признают это, я же сосредоточусь на фактах.
Из-за падения цен на нефть стоимость галлона (3.76 литра) бензина в США упала до $2, но даже во время дорогой нефти цена не поднималась выше $4.1. Водород дорог.Это просто факт. Сейчас рыночная цена на газ - $8.96 за эквивалент галлона бензина, 0.997 кг (данные за октябрь 2014 г.). Бак Toyota Mirai вмещает 5 кг водорода. Таким образом, одна заправка обошлась бы вам в $45 и её хватило на 480 км по методике тестирования EPA (данные ещё не проверены EPA, но вряд ли эта цифра окажется больше), что выливается в $9.38 за 100 км. Для сравнения, Toyota Prius проедет те же 100 км, потратив $2.76, а Tesla Model S - $2.99, если использовать ту же методику EPA и текущие средние американские цены.
К 2017 году Toyota планирует довести годовой выпуск Mirai до 2 100 штук.Хотя существует множество оценок, предполагающих, что при больших объемах производства стоимость водорода снизится до $3 за кг (и приблизится к текущей цене на бензин), даже сама Toyota менее оптимистична в своих прогнозах: стоимость бака для Mirai снизится до $30 в будущем. Сейчас в США производится 7.31 миллионов кг ворода в день, в год около 2 600 миллионов килограмм. При среднегодовом пробеге около 21 500 км, его бы хватило для 12 миллионов автомобилей, то есть даже если бы водородных автомобилей в США продавали 10% от всех новых авто в течении 10 лет, производство лишь удвоилось, что не дало бы такого радикального снижения цены.
Предприятие по паровой конверсии природного газа в водород.2. Производство водорода "грязнее" электрогенерацииСейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Остаётся от природного газа или углеводородов CO2, тот самый с которым все страны дружно борятся развитием альтернативной энергетики и альтернативных автомобилей. Если вспомнить, что в Европе и Азии, в отличие от США, нет своего природного газа, для того чтобы из него делать водород, то всё становится ещё печальней. Сейчас использование водорода ставит в прямую зависимость от цены на газ, что не сильно отличается от нефтяной зависимости, электричество же генерируется из десятка различных источников. Теоретически, водород можно получать электролизом, но сейчас такой газ для США будет в 3 раза дороже получаемого из метана. Более того, так как получение электричества не экологически чистый процесс, а конверсия электричества в водород, затем обратно из водорода в электричество в топливных элементах имеет низкий суммарный КПД, выбросы будут значительно выше, чем для электромобилей.
б) Сотрудничество между компаниямиHonda и BMW активно сотрудничают с Toyota и было бы в каких-то случаях не этично и не дальновидно не поддерживать её.
Что надо сделать? Правильно, нужно сделать "poker face", говорить, что всё это ерунда, и дальше продавать Prius-ы миллионами.
engineering-ru.livejournal.com
Водородный автомобиль: продолжаем движение | Журнал Популярная Механика
Представляя в 2013 году Toyota Mirai (Mirai в переводе с японского означает «будущее»), президент «Тойота Мотор Корпорэйшн» сказал: «Я видел будущее. Оно совсем рядом».
Прошло четыре года, но водородное будущее по‑прежнему не здесь, а где-то рядом: при нынешнем уровне технологий на получение водорода тратится больше энергии, чем можно потом из него добыть, а инфраструктура для таких автомобилей остается в зачаточном состоянии (например, в США на всю страну пока менее 40 заправочных станций). Но производители автомобилей на топливных элементах обновляют свои модели и продолжают верить в их перспективу. И не только они. Князь Монако Альбер, большой поклонник автоспорта и экологии, предваряя старт Гран-при «Формулы-1» в этом году, сделал на Honda Clarity Fuel Cell круг почета по городской трассе гонки. Журналисты Popular Mechanics проехались на Honda Clarity и Toyota Mirai, чтобы оценить, как они ведут себя на обычных дорогах.
Honda Clarity
Для защиты от проколов задние водородные баки покрыты углепластиком и алюминием.
Мощность, л. с.: 174Крутящий момент, Нˑм: 300Запас хода, км: 589
Обводы крыши как у кроссовера или хетчбэка, вертикальная посадка водителя, сидения для пяти человек — в общем, это комфортный и элегантный автомобиль. Ощущения от рулевого управления и тормозов практически те же, что и при езде на лучших бензиновых моделях Honda. Но при массе более 1800 кг и с временем разгона до 100 км/ч, близким к двузначным числам, автомобилю сложно тягаться с бензиновыми собратьями. Clarity оснащен технологиями автоматического торможения и предупреждения о смене ряда движения. Цифровая приборная панель отделана материалом, похожим на замшу, но изготовленным из переработанного пластика. Пока динамика не в приоритете модели, но по всем остальным параметрам сплошные приятности.
Toyota Mirai
Мощность, л. с.: 153Крутящий момент, Нˑм: 335Запас хода, км: 502
Выезжая из Лос-Анджелеса, я замечаю, что индикатор заряда батареи сместился на несколько делений вниз, и чувствую знакомую тревогу. Затем индикатор делает трюк, который я никогда не видел в электромобилях, — поднимается вверх почти до конца. Автомобиль зарядил себя. Круто. На самом деле топливные элементы Mirai отдали некоторое количество электричества на подзарядку никель-металлгидридной батареи, питающей 153-сильный двигатель. Избавившись от беспокойства за остаток пробега до заправки, я направляю маленькую Toyota к полосе торможения, и топливные элементы наращивают мощность со звуком, словно кто-то косит газон в двух кварталах отсюда. Ускорение как у небольшого дизеля с отличным крутящим моментом. Но Mirai — скромный агрегат. (Мощные возможности Toyota демонстрирует на тяжелом грузовике: два его топливных элемента выдают 670 л. с. и 1800 Нˑм крутящего момента.) Через несколько десятков километров я смотрю в зеркало заднего вида и вижу… другой Mirai. Будущее уже наступило?
Топливный элемент расположили под капотом, а 245-вольтовую батарею — под сиденьями, чтобы центр тяжести был ниже.
Как работает топливный элемент
Химия, заряжающая аккумулятор электромобиля
1. Водород из баков автомобиля и кислород из воздуха встречаются на топливных элементах — тонких мембранах, разделяющих два вещества.
2. Водород, диссоциируя на мембране на протоны и электроны, притягивается к кислороду с другой стороны, но только протон может пройти через мембрану к кислороду.
3. Электрон не проникает через мембрану и уходит вокруг нее во внешнюю цепь, производя электрический ток для зарядки аккумулятора, питающего двигатель.
Статья «Водородный автомобиль. Продолжаем движение» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2017).www.popmech.ru
что это такое, как это работает и зачем это нужно?
Отметьте это в своих календарях: Toyota обещает в своем модельном ряду 2015 года представить серийное транспортное стредство на водородных топливных элементах. Это означает, что они могут появиться на дорогах США в Калифорнии и, возможно, в части северо-восточных штатов, уже в конце следующего года. Мы совершили путешествие в Японию на прошлой неделе, чтобы пройти тест-драйв опытного образца. И вот то, что мы узнали:
Что это
Говоря простым языком, автомобиль на топливных элементах (или FCV — Fuel Cell Vehicle), является транспортным средством, которое приводится в движение электрическим мотором, который работает на электроэнергии, вырабатываемой в результате химической реакции водорода (на борту автомобиля) и забортного кислорода. Единственным побочным продуктом этой реакции является обыкновенная вода (h3O — два атома водорода и один атом кислорода, помните уроки химии?), которая сбрасывается в виде пара через выхлопную трубу.
Как это выглядит
Автомобиль 2015 Toyota на топливных элементах, базируется на основе Lexus HS (на фото выше). Мы тестировали некую помесь из разных автомобилей (тестируемые автомобили оснастили различными частями от других транспортных средств, кроме того, в целях тестирования, там были установлены экспериментальные и опытные образцы деталей), основой которых являлся модифицированный кузов Lexus HS, а интерьер представлял собой сборную солянку из разных автомобилей. Таким образом, весьма сложно сказать как именно будет выглядеть серийный автомобиль.
Но, по словам Сатоши Огисо, управляющего директора и главы передовых технологий Тойоты (он же — отец Prius), серийная версия автомобиля будет весьма похожа на Lexus HS с некоторыми изменениями, поскольку аэродинамике придается, весьма большое значение.
На чем оно ездит
Принцип работы автомобилей на топливных элементах весьма схож с принципом работы подключаемых или полностью электрических транспортных средств. Все они имеют электродвигатель, блок управления и батареи. В подключаемых гибридах добавляется генератор, двигатель внутреннего сгорания и топливный бак. Вместо этого, автомобиль на топливных элементах получает топливные ячейки и пару баллонов с сжатым водородом.
Новые топливные элементы имеют мощность, более чем вдвое превышающую показатели предыдущей версии, генерируя 3 кВт на литр. Так как водород является более концентрированным источником энергии, нежели электричество, автомобиль на топливных элементах может хранить в 4-5 раз больше энергии на борту, и ваш автомобиль может быть использован даже как генератор электроэнергии, в чрезвычайных ситуациях, питая освещение и электроприборы на протяжении более чем одной недели.
Как ее заправлять
В отличие от электрических транспортных средств, вы не сможете заправляться дома — вам будет необходимо найти водородную заправочную станцию. Именно поэтому новинка будет доступна сначала только в Калифорнии, до тех пор пока не будет построена федеральная инфраструктура. На станции, заполнение двух водородных баллонов высокого давления займет около 3 минут, примерно столько же, сколько и обыкновенная заправка бензином.
Именно в этом Toyota и видит основное преимущество, по сравнению с нынешними электрическими транспортными средствами — возможность быстро дозаправиться и двигаться дальше по своим делам, а не ждать часами, пока происходит зарядка. Поэтому, как только будет установлено достаточное количество водородных АЗС, проблемы связанные с ограниченным запасом хода электромобилей, не будут касаться владельцев транспортных средств на топливных элементах.
Каков запас хода
В тестировании, которое проводила Toyota, практический запас хода для автомобиля на топливных ячейках, составил более 500 км (или 310 миль), когда источником энергии выступает водород, который хранится на борту автомобиля в виде двух баллонов. Однако одному из испытываемых автомобилей удалось добиться запаса хода в 650 км, или около 404 миль.
Как она едет
Опять же оговоримся что, испытываемые транспортные средства, на которых нам разрешили поездить не были точными копиями серийных автомобилей, но нас заверили, что они были настроены довольно близко к тому, как конечная продукция автоконцерна будет вести себя после начала продаж. И так как это были сильно модифицированные автомобили, состоящие из разных частей, нам позволили порулить их всего 4 минуты, по заранее обозначенному маршруту на закрытой парковке. Это конечно не классический тест-драйв, но достаточно для того, чтобы почувствовать ускорение и управляемость.
Транспортные средства на топливных ячейках, как и электромобили, имеют максимальный крутящий момент практически мгновенно со старта. Ускорение быстрое, без задержек и провалов, которые присущи бензиновым автомобилям с автоматической коробкой передач. А так как двигатель электрический, он не производит никаких звуков, пока вы не нажмете на педаль газа. Вот тогда вы и начинаете слышать футуристическое завывание все громче и громче, по мере набора скорости. Непонятно, уберет ли Toyota это завывание в серийных автомобилях, но нам оно на самом деле понравилось.
При совершении резких и быстрых поворотов, резина автомобиля начинает повизгивать, но опять же, наверняка в серийной модели будут применяться иные покрышки и настройки. Рулежка отличается свежестью и отзывчивостью, как будто вы едете в аналогичных моделях Toyota или Lexus.
Итого
Новый автомобиль на топливных ячейках, обещает стать отличным автомобилем. Вы получите преимущество нулевого выброса электромобиля и быструю дозаправку бензинового автомобиля — все в одном флаконе! Правда с одной поправкой — если вы живете недалеко от водородной заправочной станции — в противном случае все становится не таким уж радужным, но это пока.
Прогресс должен с чего-то начинаться, и Toyota надеется, сделав автомобиль на топливных ячейках более доступным и роскошным, что водородно-заправочная инфраструктура вырастет довольно быстро. И если все произойдет так, как Toyota ожидает, автомобили на топливных ячейках к 2020 году будут так же популярны на дорогах как и гибриды сегодня.
Публикации по теме:aenergy.ru
Новый автомобиль Toyota Mirai, работающий на водороде
Технологии Представьте, что вместо того, чтобы выбрасывать вредную смесь двуокиси углерода, окиси углерода, углеводородов, бензола и различных твердых частиц, выхлопная труба Вашего автомобиля испускает только воду.
Это может звучать как научно-фантастический рассказ, но на самом деле является реальным новым автомобилем под названием Toyota Mirai, который появится на улицах уже в этом году.
Авто на водороде
В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое "японское чудо" – Мирай – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной - водороде.
Газообразный водород заправляют в бак автомобиля так же, как и бензин, а затем особый топливный элемент, производящий химическую реакцию за счет водорода и кислорода, преобразует электроэнергию, которая и является движущей силой машины. Что удивительно: единственным побочным продуктом этого процесса является вода.
Несомненно, Вы уже слышали про электромобили, которые далеко не могут уехать без подзарядки, а их максимальная скорость варьируется в пределах 70 км/ч. Однако Мирай на альтернативном виде топлива вне конкуренции.
Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км. Ультрасовременные баки из углеродного волокна заполняются примерно за десять минут.
Читайте также: Автомобиль с ядерным двигателем: 8 грамм тория на миллионы километров
При упоминании водорода в качестве топлива некоторые люди могут вспомнить о немецком дирижабле Гинденбурга, который сгорел над штатом Нью-Джерси, США в 1937 году.
Однако конструкторы Toyota Mirai заверяют, что на данном автомобиле такая ситуация сведена на "нет" благодаря пуленепробиваемым резервуарам, в которых размещены водородные топливные элементы. Поэтому у обычного бензинового бака гораздо больше шансов быть взорванным в результате ДТП.
В целом авто имеет амбиции покорить весь мир. Но компании Toyota нужно спешить, ибо в следующем году Honda, Ford и Nissan планируют выпустить на рынок автомобили с похожими технологиями.
Если бы все автомобили ездили на водороде, то воздух в наших городах был бы намного чище. К тому же всем известен факт, что нефть на планете заканчивается, а, следовательно, рано или поздно бензин будет стоить безумно дорого (хотя и сейчас это уже не дешевое удовольствие).
Получается, что если все люди пересядут на такие автомобили, то человечество может сделать шаг к избавлению от проблем, связанных с загрязнениями окружающей среды.
Недостатки автомобиля на водороде
Но, конечно же, не все так радужно, как хотелось бы. Существуют серьезные проблемы, которые могут стать камнем преткновения на пути к альтернативе бензиновых двигателей.
1. В настоящее время автомобили на водороде очень дорогие. Мирай, четырехдверный седан, должен поступить в продажу за 99 700 долларов. В то время как стоимость автомобиля с бензиновым двигателем такого же класса составляет приблизительно 30 000 долларов.
2. Следующая проблема - это заправка автомобиля будущего. Вам нужно будет найти ближайшую водородную заправочную станцию, чтобы ехать после того, как бак опустеет, а в настоящее время таких АЗС единицы в некоторых европейских странах и США, в то время как в большинстве стран водородных АЗС вообще нет. Предположительно к 2020 году количество водородных заправочных станций увеличат в разы, но и этого будет совершенно недостаточно.
3. Заправка полного бака Toyota Mirai будет стоить около 103 доллара, что примерно в два раза больше, чем заправить автомобиль на бензиновом двигателе того же класса, который проезжает те же 482 км.
Субсидии для авто на водороде
Конечно, вопросы стоимости инфраструктуры могут быть частично решены правительствами, которые в состоянии создать стимулы: предоставлять покупателям различные скидки или даже обеспечивать людей заправкой водородом бесплатно.
Это уже происходит в Японии – в стране, где беспокоятся о своей энергетической безопасности (особенно после ядерной катастрофы на Фукусиме).
Правительство Японии очень помогает населению субсидиями на покупку водородных автомобилей (сумма субсидии составляет почти 27 000 долларов) в рамках программы, для которой выделят 400 млн. долларов из государственного бюджета.
С помощью данной программы планируется помочь населению Японии закупить 6 000 частных транспортных средств, работающих на водороде.
Между тем в США комитет энергетики штата Калифорния пообещал 205 млн. долларов для обеспечения почти 70 АЗС водородным топливом к концу следующего года. В Калифорнии также выплачивают 12 000 долларов тем, кто покупает автомобили на водороде.
А вот в Великобритании такие автомобили будут стоить дороже, по той простой причине, что технологические компании, как правило, "раздувают" там цены. На туманном Альбионе люди готовы платить за такой товар традиционно больше, нежели жители других продвинутых стран. Британское правительство, со своей стороны, пообещало 17 млн. долларов для постройки еще 15 водородных станций на Юго-Востоке страны.
Производство водорода
Еще одной проблемой таких машин является производство водорода, так как это довольно проблематичное мероприятие.
Наиболее распространенный метод называется паровой реформинг. Он заключается в том, что пар смешивается с природным газом, затем нагревается до определенной температуры с последующим добавлением катализатора, такого как никель, в результате чего получается водород и моноксид углерода (ядовитый газ). Около 95 % водорода в мире производится этим путем.
К сожалению, это не экологически чистый процесс, потому что результатом являются и побочные продукты. Таким образом, хотя сам по себе водород в автомобиле не загрязняет окружающую среду, производство данного топлива будет загрязнять наш с Вами воздух.
В результате даже защитники автомобилей на водородном топливе признаются, что производство водорода будет загрязнять окружающую среду в лучшем случае как автомобили на бензиновых двигателях, а в худшем – значительно больше.
Ученые сейчас разрабатывают "зеленые методы" производства водорода, такие как извлечение водорода из кукурузной шелухи или использование ветряных турбин для питания электролиза воды. В настоящее время не было придумано экологически чистых и достаточно эффективных методов производства водородного топлива для каждодневной заправки миллионов автомобилей.
Конечно же, поклонники автомобилей, работающих на водородном топливе, непреклонны: они уверены, что мы должны продвигаться вперед, ибо наше будущее зависит от работы автотранспорта, который не будет причинять ущерб нашей планете.
Проблемы водородных автомобилей
Компания Toyota утверждает, что Mirai выделяет всего 100 мл воды на примерно 2 км пути. Подсчитано, что, например, в Великобритании все автомобили проезжают около 488 млрд. км в год. Это означает, что если бы каждый автомобиль был бы Toyota Mirai, то утечка от всех автомобилей составила бы 3 млрд. л воды и водяного пара каждый год.
Читайте также: Автомобили на водородном топливе – будущее становится ближе
Для сравнения: такого огромного количества воды хватило бы, чтобы заполнить около 12 000 плавательных бассейнов, предназначенных для проведения олимпийских игр.
Конечно, вода сама по себе является безобидной для нас всех субстанцией, но только не для наших дорог во время морозов. Представьте себе автомагистраль с интенсивным движением в середине зимы, и с каждого транспортного средства выливается 1 литр воды каждые 20 км. Ведь вся эта вода превратится в каток в считанные минуты. А если вода выбрасывается в виде пара, то предсказуемый результат - туман.
По сообщениям, в городе Рейкьявик, Исландия, пассажиры автобусов на водородном топливе тревожатся о количестве водяного пара, который выходит только из одного автобуса из множества.
Таким образом, хотя водородные автомобили имеют массу преимуществ (например, беззвучность и экологичность), существует много проблем с ними, которые требуют решения, иначе такие машины будут не востребованы.
Возможно, водородные топливные элементы станут успешно использоваться, например, вилочными погрузчиками, работающими в закрытых помещениях, где бензиновый или дизельный дым особенно нежелательны.
Так что еще предстоит выяснить, будем ли мы все наслаждаться водородными семейными автомобилями в следующем десятилетии или нет...
Автомобиль на воде (видео)
Перевод: Лисицын Р. В.
www.infoniac.ru
Топливные элементы для привода автомобилей
Топливные элементы для привода автомобилей представляют собой электрохимические преобразователи энергии, заключенной в топливе, непосредственно в электроэнергию. В водороднокислородном топливном элементе водород вступает в реакцию «холодного горения» с кислородом, в процессе которой образуется вода и генерируется электрический ток. Топливные элементы не содержат движущихся частей, работают без механического трения, с низким уровнем шума и без загрязняющих окружающую среду выбросов.
Принцип действия топливных элементов
Топливный элемент состоит из двух элементов (анода и катода), разделенных электролитом (см. рис.1). Электролит непроницаем для электронов. Электроды соединяются друг с другом внешней электрической цепью.
 |  |
На автомобилях в основном применяются топливные элементы с полимерной мембраной в качестве электролита, называемой также протонообменной (РЕМ) (см. рис.2 «Структура топливного элемента типа РЕМ»). Принцип действия топливных элементов описан ниже на примере элементов этого типа.
Принцип действия топливного элемента типа РЕМ
В топливном элементе типа РЕМ водород направляется к аноду, где он окисляется. При это образуются ионы Н+ (протоны) и электроны (см. рис. 1, а).
Анод: 2 Н2 —» 4 Н+ + 4 е— .
Электролит можно рассматривать как проводящую протоны полимерную мембрану. Электролит проницаем для протонов, но не для электронов. Протоны Н+, образующиеся на аноде, проходят через мембрану и достигают катода. Для того чтобы через мембрану могли проходить протоны, она должна быть достаточно увлажнена. Кислород направляется к катоду, где происходит его восстановление (см. рис. 1b). Восстановление происходит за счет электронов, проходящих от анода к катоду по внешней электрической цепи.
Катод: O2 + 4 е— —> 2 О2-.
На следующей стадии реакции ионы О2- реагируют с протонами с образованием воды.
Катод: 4 Н+ + 2 О2- —> 2 Н2O .
В результате общей реакции, протекающей в топливном элементе, из водорода и кислорода образуется вода (см. рис. 1с). В отличие от реакции с образованием гремучего газа, в ходе которой водород и кислород реагируют друг с другом взрывообразно, здесь реакция протекает в форме «холодного горения», поскольку стадии реакции протекают раздельно на аноде и катоде.
Общая реакция: 2 Н2 + O2 —> 2 Н2O.
Описанные выше реакции протекают на каталитических покрытиях электродов. В качестве катализатора чаще всего используется платина.
Теоретическое напряжение одного элемента
Теоретическое напряжение одного водородно-кислородного топливного элемента при температуре 25 °С составляет 1,23 В. Это значение получено из стандартных значений потенциалов электродов. Однако на практике, во время работы элемента, это напряжение не достигается; оно составляет 0,5-1,0 В. Потерю напряжения можно объяснить внутренним сопротивлением элемента или ограничениями, налагаемыми газовой диффузией (см. рис.3 «Электрические характеристики топливного элемента»). В основном напряжение зависит от температуры, стехиометрических отношений водорода и кислорода к количеству произведенного электричества, парциального давления водорода и кислорода и плотности тока.
На автомобилях применяются батареи топливных элементов мощностью от 5 до 100 кВт. Чтобы получить высокие напряжения, требуемые для технического применения элементов, элементы последовательно соединяются в батареи (см. рис.4 «Структура батареи топливных элементов»). Батареи могут включать от 40 до 450 элементов, т.е. их максимальное рабочее напряжение составляет от 40 до 450 В.
Высокие значения электрического тока достигаются за счет соответствующей площади поверхности мембраны. Значения выходного тока батарей топливных элементов для автомобилей достигает 500 А.
Принцип действия системы топливных элементов
Для использования батареи топливных элементов требуются подсистемы подачи водорода и кислорода (см. рис.5 «Электропривод с системой топливных элементов»). В принципе, эти системы могут быть реализованы самыми различными способами. Описываемый здесь вариант используется во многих случаях.
Система подачи водорода
Запас водорода хранится в баллоне высокого давления (700 бар). При помощи редуктора давление водорода понижается приблизительно до 10 бар, и водород поступает в газовый инжектор.
Инжектор представляет собой электромагнитный клапан, при помощи которого давление водорода устанавливается на стороне анода. В отличие от топливных форсунок двигателей внутреннего сгорания инжектор водорода должен обеспечивать постоянный массовый расход. Типичное значение расхода водорода при мощности 100 кВт составляет 2,1 г/с. Максимальное значение давления водорода составляет 2,5 бар.
Для работы батареи топливных элементов требуется постоянный сквозной поток водорода на стороне анода (мера гомогенизации). С этой целью в системе организована рециркуляция водорода.
Разрушающие анод инородные газы на стороне анода непрерывно удаляются через электромагнитный спускной клапан. Это предотвращает накопление инородных газов, выходящих из баллона, или диффузионных газов (азота, водяных паров) со стороны катода. Клапан установлен на выпуске батареи, на стороне анода. Для слива избытка воды в тракте анода используется клапан, открытый при нулевом электрическом токе.
Водород, неизбежно выходящий во время слива воды, либо сильно разбавляется воздухом, либо каталитически преобразуется в воду.
Подача кислорода
Требуемый для электрохимической реакции кислород берется из окружающего воздуха. Необходимый массовый расход кислорода, составляющий, в зависимости от требуемой мощности батареи, до 100 г/с, подается компрессором. Кислород сжимается компрессором максимум до 2,5 бар и подается на сторону катода топливного элемента. Давление в топливном элементе регулируется клапаном динамического регулирования давления, установленным в тракте выпуска отходящих газов на выходе топливного элемента.
Для обеспечения достаточного увлажнения полимерной мембраны, подаваемый в элемент воздух увлажняется либо при помощи дополнительной мембраны, либо путем впрыска сконденсированной воды.
Тепловой баланс
Электрический к.п.д. топливных элементов составляет приблизительно 50%. Другими словами, в процессе преобразования химической энергии генерируется приблизительно такое же количество тепловой энергии, что и количество электрической энергии. Это тепло необходимо рассеивать. Рабочая температура топливных элементов типа РЕМ составляет приблизительно 85 °С, что меньше температуры двигателей внутреннего сгорания. Несмотря на более высокий к.п.д., радиатор и вентилятор радиатора, при использовании на автомобиле топливных элементов, должны быть увеличены.
Поскольку используемая охлаждающая жидкость находится в прямом контакте с топливными элементами, она должна быть электрически непроводящей (деионизованной). Циркуляция охлаждающей жидкости обеспечивается электрическим насосом. Расход охлаждающей жидкости составляет до 12 000 л/ч. Клапан регулирования температуры распределяет поток охлаждающей жидкости между радиатором и перепускным каналом.
В системе используется охлаждающая жидкость, представляющая собой смесь деионизованной воды и этиленгликоля. Охлаждающую жидкость необходимо деио- ниозировать на автомобиле. С этой целью она пропускается через ионообменник, заполненный специальной смолой, и очищается в процессе удаления ионов. Проводимость охлаждающей жидкости должна составлять менее 5 мкСм/см.
Коэффициент полезного действия системы топливных элементов
В дополнение к быстрой готовности батареи топливных элементов к отдаче энергии при большинстве оптимальных рабочих условий важно обеспечить высокий к.п.д. системы.
На рис.6 «Коэффициент полезного действия батареи топливных элементов и системы топливных элементов» приведено сравнение к.п.д. батареи топливных элементов с к.п.д. всей системы. Часть электроэнергии потребляется вспомогательными компонентами, такими как компрессор, что снижает общий к.п.д. системы. Тем не менее, системы топливных элементов обладают более высоким к.п.д., чем двигатели внутреннего сгорания, особенно при работе в диапазоне частичных нагрузок.
Безопасность
В целях обеспечения безопасности на автомобиле установлено несколько датчиков концентрации водорода. Водород представляет собой газ без цвета и запаха, который при объемной концентрации порядка 4% превращает воздух в горючую смесь. Датчики могут определять концентрацию водорода, начиная с 1%.
Принцип действия привода
Автомобили на топливных элементах представляют собой электромобили, в которых электроэнергия для питания электропривода генерируется системой топливных элементов.
По ряду причин целесообразно включить в систему тяговую аккумуляторную батарею:
- это позволяет запасать энергию во время рекуперативного торможения;
- это способствует повышению динамических характеристик привода;
- изменяя распределение нагрузки между системой топливных элементов и тяговой аккумуляторной батареей, можно еще более увеличить к.п.д. привода.
Поскольку тяговая аккумуляторная батарея является дополнительным источником энергии, такие автомобили известны под названием гибридизированных автомобилей на топливных элементах. Отношение мощности тяговой аккумуляторной батареи к общей мощности (степень гибридизации) варьируется в зависимости от применения системы.
Обычно в качестве основного источника энергии для привода используются системы топливных элементов. Такие автомобили известны под названием гибридных автомобилей на топливных элементах (FCHV). Обычно системы топливных элементов имеют номинальную мощность 60-100 кВт. Тяговые аккумуляторные батареи имеют номинальную мощность до 30 кВт при емкости 1-2 кВтч.
В качестве альтернативного варианта тяговая аккумуляторная батарея может иметь значительно более высокую номинальную мощность и емкость и при необходимости заряжаться от системы топливных элементов. При этом достаточно иметь батарею топливных элементов с номинальной мощностью от 10 до 30 кВт. Автомобили с такой конфигурацией источников энергии известны под названием автомобилей на топливных элементах с расширенным диапазоном (FC-REX).
Распределение электроэнергии между системой топливных элементов, тяговой аккумуляторной батареей и электроприводом осуществляется одним или более преобразователями постоянного напряжения. Различные конфигурации таких преобразователей, выбор которых зависит от применения, показаны на рис.7 «. Конфигурации преобразователей напряжения в системах привода на топливных элементах». В зависимости от конфигурации напряжение питания электропривода идентично напряжению одного из двух источников электроэнергии (см. рис.7а и 7b), или изолировано от напряжения тяговой аккумуляторной батареи и батареи топливных элементов (см. рис. 7с).
Система электропривода
Система электропривода включает силовой электронный блок (преобразователь) и электродвигатель. Электродвигатель представляет собой синхронную или асинхронную электрическую машину, питание которой осуществляется от преобразователя таким образом, чтобы получить требуемый крутящий момент. Поскольку электропривод имеет высокую номинальную мощность (приблизительно 100 кВт), величина рабочего напряжения может достигать 450 В. В области автомобилестроения используются термины «высокое напряжение» и «электрическая система высокого напряжения». Электрическая система высокого напряжения изолирована от массы автомобиля.
Во время торможения автомобиля электродвигатель переходит в генераторный режим и генерирует электрический ток. Электроэнергия запасается в тяговой аккумуляторной батарее.
При помощи преобразователя высокое напряжение постоянного тока преобразуется в многофазное переменное напряжение, амплитуда которого регулируется в зависимости от требуемого крутящего момента. Как правило, используются преобразователи с выходными каскадами на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT).
Тяговая аккумуляторная батарея
В зависимости от степени гибридизации используются аккумуляторные батареи высокой емкости или высокой энергии с напряжением от 150 до 400 В. В качестве аккумуляторной батареи высокой емкости используются никель-металлгидридные или литий-ионные аккумуляторные батареи, в то время как в качестве аккумуляторных батарей высокой энергии — только литий-ионные аккумуляторы. Система мониторинга тяговой аккумуляторной батареи контролирует степень зарядки и емкость аккумуляторной батареи.
Преобразователь постоянного напряжения тяговой АКБ
Преобразователь постоянного напряжения тяговой аккумуляторной батареи осуществляет регулирование тока зарядки тяговой аккумуляторной батареи и выходного тока (до 300 А). Некоторые конфигурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.
Преобразователь постоянного напряжения батареи топливных элементов
Еще одним преобразователем постоянного напряжения является преобразователь напряжения батареи топливных элементов, осуществляющий регулирование выходного тока в пределах до 500 А. Некоторые конфигурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.
Преобразователь постоянного напряжения 12 В
Так же как на обычных автомобилях, на автомобилях на топливных элементах имеется электрическая система напряжением 12 В. Напряжение 12 В преобразуется из высокого напряжения. Для этой цели служит преобразователь постоянного напряжения, включенный между двумя системами. Из соображений безопасности этот преобразователь электрически изолирован. Он работает однонаправленно или двунаправленно и имеет номинальную мощность до 3 кВт.
Перспективы системы приводов на топливных элементах
Системы приводов на топливных элементах уже продемонстрировали свою пригодность в повседневной эксплуатации. Однако, для коммерческого использования в системах приводов автомобилей топливные элементы должны быть усовершенствованы в отношении экономичности и возможности серийного производства.
Упрощение системы дает снижение затрат и повышение надежности. Одним из направлений является разработка новых полимерных мембран для топливных элементов, не требующих увлажнения образующихся в ходе реакции газов и в то же время позволяющих повысить рабочую температуру.
Кроме того, необходимо значительно снизить стоимость всех компонентов. В этом отношении большой потенциал заключается в уменьшении количества платины в каталитическом слое топливного элемента.
В следующей статье я расскажу о рекуперативной системе торможения.
Литература:
[1] Pukrushpan, Stefanopoulou, Peng: Control of Fuel Cell Power Systems: Principles, Modeling, Analysis and Feedback Design. Springer-Verlag, London, 2004.
Рекомендую еще почитать:
press.ocenin.ru
Как работает водородный двигатель в автомобиле?
Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.
Краткая история
Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).
Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.
Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.
В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).
Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.
Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.
Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.
Принцип работы и типы водородного двигателя
Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).
Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.
Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.
Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.
Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.
Силовые установки на основе водородных топливных элементов
В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).
В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.
В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.
Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.
Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.
А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.
Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.
По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.
Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.
Водородный двигатель на современном рынке
Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).
Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.
Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.
Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.
Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.
Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).
Плюсы и основные недостатки водородных двигателей
При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.
Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).
Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.
Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.
К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
