С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Автомобиль на топливных элементах

Автомобиль на топливных элементах


Автомобили на топливных элементах

Подобно электрическим автомобилям, авто на топливных элементах обходится без двигателя внутреннего сгорания  вообще.

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, которые преобразуют энергию, запасенную в химической формуле непосредственно в электрическую энергию, воду и тепло.

Как работают автомобили на топливных элементах?

Основополагающим принципом этого источника энергии является  электрохимическая реакция используемая для производства электроэнергии. Как и в случае с электрическими ячейками, топливные элементы не ограничены законами термодинамики. Это означает, что они способны достичь более высокой эффективности преобразования энергии, чем обычные двигатели, которые имеют КПД  20% — 25% энергии топлива, но могут достичь до 60%. Однако в отличие от электрической батареи,  реактивы должны поставляться постоянно для выработки электрического тока.

Топливный элемент использует водород подаваемый извне для выработки электроэнергии.

Состоит из двух электродов:  анод и катод, изготовленные из угольной пластины покрытой платиной. На аноде поданный водород распадается с потерей электрона, на катоде поданный кислород соединяется с пришедшим протоном.

Основным преимуществом водородных двигателей является их способность работать при относительно низких температурах (что сокращает время запуска). Ячейки изготовлены из графита покрытого канавками, которые позволяют легко проходить реагентам при сохранении электрического контакта с электролитом.

Топливный элемент образовывает ионы водорода имеющие высокое содержание энергии. Однако низкая плотность водорода представляет технические трудности проектирования систем хранения водорода на машине. При комнатной температуре и обычном давлении для хранения эквивалентного количества энергии, содержащегося  в типичном бензобаке потребуется бак с водородом объемом более чем в  800 раз больше обычного бака.

Однако были разработаны три основных решения для хранения водорода:

  • сжатие – газ хранится в баллонах при атмосферном давлении до 7000 раз;
  • криогенные системы – это сохранить газ при низкой температуре, необходимой для сжижения водорода (-253 C);
  • металл гидриды – специальные металлические сплавы поглощающие водород под давлением.

Один из подходов, который позволяет избежать проблемы хранения водорода в машине  является генерация газа по требованию.

Как заправлять автомобиль топливным элементом

Известно, что топливо для машины возможно бензин, метанол, водород, газохол и т.п. Все они заполняются  обычным способом. Метод заправки топливных элементов машины отличается.

Заправка водородом становится очень дорогим процессом. Хотя до сих пор разрабатывается водородная газовая заправка, все они предполагают использование гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который создает запечатанную систему.

Учитывая новизну водородных автомобилей, есть еще сравнительно мало станций заправок водородом во всем мире. Однако с появлением  машин на новом принципе  растет количество станций. В результате все больше и больше водорода строятся в городах по всей Европе, уже включая Амстердам, Барселона, Гамбург, Лондон, Люксембург, Мадрид, Порто, Рейкьявик, Стокгольм и Штутгарт.

Автомобили на новом принципе лучше для окружающей среды

Если используется не возобновляемые источники энергии, воздействие на выбросы трудно подсчитать, в зависимости от способа хранения бортового топлива и производства топлива. Однако учитывая основные варианты  учета  диоксида углерода и выбросов метана, автомобили на топливных элементах прогнозируются со значительным снижением в жизненном цикле выбросов парниковых газов — до 55% по сравнению с бензином.

Автомобили на новом принципе значительно более энергоэффективны, чем обычные транспортные средства. Также рекуперативное торможение повышает эффективность использования топлива до 20%. Если возобновляемые источники энергии используются для генерации водорода, жизненный цикл выбросов парниковых газов практически равен нулю за исключением водяного пара.  Это истинный автомобиль с нулевым уровнем выбросов.

Стоимость топливных элементов автомобиля?

При  промышленном производстве пока нельзя спрогнозировать с уверенностью, сколько будут стоить топливные элементы, но вполне вероятно, что они будут стоить значительно дороже, чем эквивалент бензина или дизельного топлива. Однако цена будет падать, если будет производиться достаточное количество автомобилей на топливных элементах.

Прогнозирование эксплуатационных расходов трудно из-за неопределенности в отношении способа производства и спроса на водородное топливо. По крайней мере в принципе, более высокие расходы на покупку могут компенсироваться более низким расходом на топливо (из-за высокой топливной экономичности автомобилей на новом принципе). Расходы на обслуживание, техническое обслуживание и ремонт топливных элементов остаются неизвестными, но предполагаются чуть меньше, чем для обычных автомобилей из-за низкого количества движущихся частей в  элементах двигателя.

Кроме того авто на новых принципах уменьшит проблемы мегаполиса.

Преимущества FCEV — мифы и правда о топливных элементах

Последние годы продемонстрировали быстрый рост рынка топливных элементов в глобальном масштабе, особенно в США, Великобритании, Германии, Франции и Японии. Общественные и частные инвестиции, государственная поддержка развития инфраструктуры и субсидирование потребителей, снижение стоимости производства и, особенно, обещания производителей приступить к выпуску автомобилей на топливных элементах – все это ясно свидетельствует о признании этого вида транспорта. Но, несмотря на очевидный прогресс, остается немало мифов об использовании, энергоэффективности и стоимости топливных элементов. Итак, настало время развенчать ряд устоявшихся заблуждений.

Миф о FCEV

№ 1: Водородная энергетика не энергоэффективна

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, но на нашей планете его необходимо извлекать из воды или органических соединений. Этот процесс не имеет больших отличий от производства бензина или дизтоплива, которые получают путем переработки или очистки нефти (причем при этом используется водород). Кроме получения водорода в промышленных масштабах из природного газа, он также производится из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, энергия ветра или биогаз, не требуя при этом использования ископаемого топлива. Возможность производства из возобновляемых источников так называемого «зеленого» водорода очень важна и для разгрузки существующей энергосистемы.

Принцип работы FCEV

Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют нулевой выброс CO2 и твердых частиц. Согласно исследованиям, автомобили, в которых в качестве топлива используется водород, полученный из природного газа, выделяют от 55 до 65% меньше углерода по сравнению с бензиновыми ДВС, благодаря более высокой эффективности. Топливные элементы также демонстрируют намного большую эффективность по сравнению с ДВС, работающими на природном газе.

Причем, по расчетам по принципу «well-to-wheels» (т.е. на протяжении всего жизненного цикла – от начала производства до эксплуатации), это не зависит от того, получен водород из природного газа или из возобновляемых источников. И при этом FCEV еще и не выбрасывают канцерогены, твердые частицы и вещества, образующие смог, которые оказывают вредное влияние на здоровье населения в крупных городах.

№ 2: Водород является опасным при хранении и использовании

Одним из самых частых аргументов, которые приходится слышать при обсуждении использования водорода, — что это горючий газ, который легко воспламеняется. Поэтому его хранение весьма опасно как на заправочных станциях, так и в топливных баках высокого давления. Однако, водород не более и не менее опасен по сравнению с другими горючими топливами, батареями, используемыми в электромобилях и сжатым газом, хранящемся в баллонах.

Миллионы километров дорожных испытаний, проведенных в последние годы, существующая на протяжении десятилетий многомиллиардная глобальная индустрия по производству и транспортировке водорода безусловно свидетельствуют о безопасности его хранения. Toyota не так давно получила одобрение от Министерства экономики, торговли и индустрии Японии на производство водородных баков для FCEV. Для демонстрации безопасности баков, изготовленных из углеродного волокна, их обстреливали из огнестрельного оружия. Пули либо отскакивали от бака, либо оставляли небольшие вмятины.

Водород обладает высоким коэффициентом диффузии (в 3,8 раза больше, чем у природного газа). Это означает, что попадая в атмосферу, он почти сразу же растворяется до не воспламеняемых концентраций. По этой причине он даже может считаться более безопасной альтернативой повседневно используемому бензину, который при проливе образует легковоспламеняемые очаги в течение длительного периода. Водород имеет низкий коэффициент излучения — вы можете поднести руку к горящему водородному пламени, не получив ожога. Это означает, что горящий водород не создает опасности возгорания окружающих материалов, тогда как жар, производимый горящим бензином, выше.

№ 3: FCEV и соответствующая инфраструктура слишком дороги и поэтому никогда не станут альтернативой на массовом рынке

Водородная заправка в Японии

Затраты на производство автомобилей на топливных элементах в последнее время резко снизились. Достижения в технологии изготовления топливных элементов, улучшение характеристик катализаторов привели к значительному уменьшению стоимости. По заявлению представителей Hyundai, расходы сократились на 70% по сравнению с концом 90-х годов, когда компания только начинала работать над топливными элементами. Производители продолжают настойчиво трудиться над снижением стоимости FCEV, ведь для их выхода на массовый рынок не требуется никаких новых изобретений, а всего лишь увеличение объемов производства, инжиниринговое обеспечение и развитие заправочной инфраструктуры.

№ 4: Заправка водородом представляет трудности и отнимает много времени

Водители не почувствуют значительных отличий в способе заправки FCEV водородом. Схожий принцип «пистолет в бак» и, в отличие от автомобилей, использующих другие виды альтернативного топлива, стандарты «водородной» заправки уже существуют. Так, модели на топливных элементах, выпускаемые Toyota, Hyundai и Honda, могут заправляться на заправочной колонке. Причем этот процесс занимает несколько минут, что выгодно отличает их от электромобилей, для заряда батареи которых требуется несколько часов. Причем на одной заправке FCEV может проехать несколько сотен километров. Водородные технологии уже опробованы на городских автобусах и могут применяться на магистральных грузовиках и других тяжелых транспортных средствах.

№ 5: FCEV не имеют достаточного запаса хода

Автомобили на топливных элементах при нулевом выбросе вредных веществ сохраняют производительность и диапазон обычных автомобилей с ДВС. Способность нести больший запас энергии на борту по сравнению с электромобилями на батареях означает, что FCEV имеют большую дальность езды. В то же время производительность топливных элементов постоянно улучшается.

Сейчас запаса водорода, который может храниться в баке FCEV, хватает для пробега, сопоставимого с обычными автомобилями и гибридами. В одном из реальных дорожных тестов «водородный» кроссовер Toyota Highlander проехал на одном баке свыше 650 километров, показав эквивалентный расход топлива 3,4 л/100 км. Выпускаемые в настоящее время автомобили на топливных элементах имеют в три раза больший запас хода по сравнению с электромобилями на батареях, а время их заправки составляет несколько минут (вместо нескольких часов), и это еще не предел.

Новый автомобиль Toyota на топливных элементах: 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:

Автомобили на топливных элементах

Как вы убедились, водород, метан, пропан и другие виды топлива можно просто сжигать, чтобы обеспечить движение автомобиля. Однако их можно использовать и не в такой непосредственной форме, а в виде изготовленных по специальной технологии топливных элементов.

Автомобили, которые на них работают, так и называют — автомобили на топливных элементах.

Что такое топливный элемент?

В конце XX века появился новый вид электрохимических источников питания, которые можно отнести к области альтернативной энергетики, — топливные элементы. Наибольшее внимание на первых этапах научно-исследовательских работ уделялось водородным топливным элементам.

Как показывает название, электричество они вырабатывают, используя водород. Процесс состоит в том, что водород соединяется с кислородом (т. е. окисляется), при этом выделяется тепловая энергия и образуется вода, а также немного закиси азота, если использовался атмосферный воздух. После того как водородный топливный элемент начинает производить ток, все, что требуется, — это добавлять водород.Таким образом, процесс горения водорода заменяется в топливных элементах процессом окисления, который является более контролируемым и происходит при существенно более низкой температуре (С точки зрения химии, горение и окисление — это один и тот же тип реакций: горение — это быстрая реакция окисления.). Существует несколько технических решений реализации такого процесса. Один из наиболее широко распространенных вариантов — это топливные элементы с протонно-обменными мембранами (ПОМ). Один такой топливный элемент обеспечивает постоянное напряжение примерно 0,7 В, т. е. чуть меньше половины напряжения типичного электрохимического сухого элемента. Для того чтобы получить большее напряжение, одиночные элементы соединяются последовательно. При этом напряжение, обеспечиваемое отдельными элементами, суммируется. Например, чтобы получить постоянное напряжение 14 В, необходимо соединить последовательно 20 элементов. Комплект соединенных последовательно топливных элементов, представляющий собой, по сути, аккумулятор, называется стэк. Чтобы увеличить емкость и вырабатываемый ток, топливные элементы, или стэки, нужно соединить параллельно. При этом ток от отдельных топливных элементов, или стэков, будет суммироваться; например, если соединить параллельно пять стэков, каждый из которых обеспечивает постоянное напряжение 14 В и ток до 10 А, то полученное устройство будет выдавать постоянное напряжение 14 В, а ток — до 50 А.

Стэки из топливных элементов могут быть разных размеров. Стэк, имеющий размеры кейса с книгами, может питать маленький электромобиль. Топливные элементы меньших размеров, называемые микротопливными элементами, могут использоваться для питания любых устройств, которые работают на обычных элементах питания: ноутбуков, портативных радиоприемников, электрических фонариков.

Водород — не единственное вещество, которое может применяться для создания топливных элементов. Были проведены исследования почти всех веществ, которые могут вступать в реакцию с кислородом с выделением энергии. Созданы топливные элементы на метаноле (метиловом спирте), который имеет преимущества перед водородом, так как он проще в хранении и транспортировке, потому что находится при комнатной температуре в жидком состоянии. В топливных элементах применялся пропан. Он хранится в баллонах для кухонных плит или обогревателей, используемых в сельских местностях. Нашел свое применение и метан. Однако некоторые ученые и инженеры возражают против пропана и метана, так как общество уже слишком сильно от них зависит, при том что относить их к «чистым» альтернативным видам топлива нельзя.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости