ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА
Устройство топливной системы автомобиля на водороде
на примере SIDERA APUS
Электромобили на водородных топливных элементах в отличии от классических электромобилей, которые используют электрическую энергию, накапливаемую в аккумуляторе, вырабатывают свою собственную чистую энергию посредством химической реакции между водородом и кислородом в батарее топливных элементов.
Наша команда, основываясь на принципах импортозамещения, в течение нескольких лет исследовала и проектировала компоненты для создания инновационной силовой установки для отечественного водородного транспорта.
Электромобили на водородных топливных элементах в отличии от классических электромобилей, которые используют электрическую энергию, накапливаемую в аккумуляторе, вырабатывают свою собственную чистую энергию посредством химической реакции между водородом и кислородом в батарее топливных элементов.
Наша команда, основываясь на принципах импортозамещения, в течение нескольких лет исследовала и проектировала компоненты для создания инновационной силовой установки для отечественного водородного транспорта.
Батарея топливных элементов;
Буферная силовая АКБ (вторичный источник энергии);
Водородный композитный бак с системой подачи газа;
Система управления и контроля;
Преобразователь мощности;
Система подачи воздуха;
Система охлаждения.
Основные компоненты разработанной энергоустановки:
Схема водородного электромобиля SIDERA APUS
«Сердцем» энергоустановки является электрохимический генератор SEGH2, специально разработанный нами топливный элемент, в котором происходит химическая реакция между водородом из топливных баков и кислородом из окружающего воздуха.
В ходе реакции вырабатывается электричество, которое питает все системы автомобиля включая тяговые электромоторы, а единственным продуктом реакции является ВОДА.
Что не мало важно, избыточное тепло, вырабатываемое топливным элементом, можно использовать для обогрева салона в холодное время года, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики по отношению к аккумуляторному электротранспорту.
Для хранения водорода используются специальные композитные баки, с массовой эффективностью 4-7%. Композитные баллоны имеют высокую эксплуатационную безопасность и соответствуют всем современным требованиям и стандартам безопасности.
Особенность таких баков состоит в том, что при критичном повреждении данные баллоны разгерметизируются без образования осколков, а газ при выходе быстро улетучится из-за высокой молекулярной скорости.
Композитные топливные баки способны поглотить в пять раз больше энергии удара, чем стальные, выдерживают большое давление, и на сегодняшний день являются самым безопасным решением для хранения водорода при высоком давлении.
Инвертор (преобразователь мощности) — электронное устройство, работающее по принципу DC-DC конвертер и обеспечивает изменение выходного напряжения топливного элемента до необходимого напряжения высоковольтной бортовой системы автомобиля.
У топливного элемента очень резкая вольтамперная кривая, которая усложняет работу со сторонними потребителями, для упрощения эксплуатации, и стабилизации рабочего напряжения, разрабатывается данное устройство. Блок преобразования электроэнергии стабилизирует рабочее напряжение и повышает его до необходимых 650 Вольт.
Вождение при более высоком напряжении позволяет более эффективно использовать электромотор, который будет выдавать больше мощности.
Система контроля или блок управления — ещё один ключевой элемент силовой установки водородного автомобиля. Данный блок отвечает за распределение энергии в системе, и подключает необходимые её элементы в зависимости от нагрузки.
Блок управления решает, в какие моменты использовать накопленную энергию из буферного аккумулятора, когда получать её непосредственно из топливного элемента, а когда задействовать все источники.
Специальное программное обеспечение, разработанное нашими программистами, и смарт-алгоритмы делают работу всех элементов высокоэффективной. Для лучшей эффективности блок расположен в составе топливного элемента.
Буферный аккумулятор или вторичный источник энергии подключается к работе при старте автомобиля, а также помогает в моменты резкого повышения мощности, например во время ускорения.
Аккумулятор способствует улучшению общей эффективности работы топливной системы автомобиля и экономии топлива, ведь накапливает энергию он во время рекуперативного торможения.
В водородном автомобиле аккумулятор малых размеров и обладает более длительным сроком службы из-за малых нагрузок, в отличие от классических электрокаров.
Для создания электромоторов мы использовали наши собственные, технологические разработки и ноу-хау. Моторы были тщательно протестированы для работы в самых различных условиях, что гарантирует их надёжность и производительность.
Благодаря специальному программному обеспечению все системы автомобиля работают слаженно и максимально эффективно, обеспечивая комфорт вождения инновационного транспорта.
При этом, разработанные нами компоненты силовой энергоустановки на основе водородных топливных элементов позволяют создавать различные виды транспорта: легковой, грузовой, железнодорожный и т.д.
стремление к совершенству
- Галерея
- Политика конфиденциальности
- Пользовательское соглашение
© Все права защищены и принадлежат ООО Первая Инновационная Межотраслевая Компания Водородных Технологий «Русский Водород»
Технология водородных топливных элементов Cummins
Cummins стремится предоставить клиентам лучшие энергетические решения. В последнее время компания разрабатывает альтернативу дизельному двигателю — водородные элементы.
Экологически чистый, получаемый из возобновляемых источников энергии, водород не производит выбросов в атмосферу. Водород можно безопасно хранить или транспортировать. Его можно смешивать или использовать для создания углеводородного топлива. Благодаря постоянным исследованиям и инновациям водород стал важной частью в создании альтернативной энергетики. Cummins использует водородные технологии при создании механизмов для транзитных автобусов, грузовых автомобилей, автофургонов и пассажирских поездов.
Водородные топливные элементы запускаются даже в космосе — уже десятилетия назад водород стали использовать в качестве топлива космической программы НАСА. Поэтому неудивительно, что сегодня водород используется для обеспечения энергией таких крупных систем, как электростанции, и небольших систем, таких как портативные компьютеры. Новейшие водородные технологии позволяют поставлять достаточно энергии для пассажирских поездов и коммунальных электростанций.
Что такое водородные топливные элементы? Топливный элемент использует химическую энергию водорода, природного газа или другого углеводородного топлива для выработки электроэнергии. В отличие от батареи, система топливных элементов не хранит энергию. Она подает топливо и кислород так же, как и двигатель внутреннего сгорания, который за счет бензина или дизельного топлива и кислорода подает энергию.
Как работают водородные топливные элементы? Основная конструкция топливного элемента состоит из двух электродов (отрицательного и положительного), разделенных электролитом. Каждый топливный элемент имеет толщину всего несколько миллиметров, и сотни из них сложены вместе, образуя батарею топливных элементов.
Подача топлива, происходит из бака, прикрепленного к транспортному средству. Топливо подается на анод (отрицательный электрод), а кислород из атмосферы поступает на катод (положительный электрод). Существуют разные типы топливных элементов, и каждый из них использует свой процесс для создания электричества, но по большей части между электродами вводится катализатор, который заставляет электроны перемещаться по внешней цепи. Катализатор и создает электричество.
Каковы преимущества технологии водородных топливных элементов? Сегодня силовые агрегаты на топливных элементах имеют более высокую плотность энергии (по сравнению с электрическими батареями) и быстрее заправляются топливом, что делает их более подходящими для поездок с более длинными дневными маршрутами, которые не могут быть выполнены только с помощью батарей.
Чем примечателен каталог магазина?
Все для ремонта двигателя
В наличии комплектующие для всех моторов Cummins, Caterpillar, Perkins. Представлены оригинальные и аналоговые запчасти. Подобрать необходимую деталь не составит труда.
Огромное количество фильтров
Предлагаются воздушные, топливные и масляные фильтры брендов Cummins, Fleetguard, Donaldson, Baldwin, Sakura. Изделия обладают прекрасной адсорбцией.
Качественные масла
В продаже оригинальные моторные масла компании Valvoline, дочернего подразделения Cummins Inc.
Водородные топливные элементы – технология будущего в автомобильной промышленности
Работа водородных топливных элементов относительно проста. Их работа интересна тем, что для сгорания нужны только вода и энергия. Как мы знаем, экологический аспект имеет решающее значение для автомобилестроения в 21 веке. Узнайте, как работают современные водородные приводы и как решения Knauf могут поддержать их производительность.
Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?
Водород – первый элемент периодической таблицы. Это самый легкий и распространенный химический элемент во Вселенной. Его много на Земле, но в чистом виде он редко встречается. Однако его можно найти во многих других соединениях, в том числе и в воде.
Водород может использоваться в качестве топлива для различных транспортных средств – от скутеров и автобусов до космических ракет. Схема реакции, которая возникает при сжигании чистого газообразного водорода в кислороде, выглядит следующим образом:
Поэтому процесс здесь чрезвычайно чистый – не образуется никаких дополнительных соединений, например, CO2 или других вредных веществ. Энергии, получаемой при сжигании водорода, достаточно для приведения в действие автомобиля. Несмотря на это, использование водорода в качестве экологически чистого источника энергии создает серьезную проблему: батареи, работающие на водороде, не являются экологически чистыми. Это связано с доступностью водорода – при имеющихся у нас условиях он лишь изредка доступен в форме, пригодной для использования в двигателях. Это означает, что мы должны получать его альтернативным способом. Существует несколько методов, но два из них стоит различать:
- Производство природного газа – паровое преобразование. Пар сочетается с метаном, в результате чего из моноксида углерода и водорода образуется синтез-газ. В ходе этого процесса выделяется значительное количество окиси углерода, но, несмотря на это, это все же более экологичный метод, чем сжигание ископаемого топлива.
- Зеленое производство водорода – это метод, основанный на возобновляемых источниках энергии. Высокая мощность электролизатора позволяет превращать воду в водород и кислород. Этот метод не способствует образованию химических соединений, вредных для окружающей среды.
Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?
Водород, как сырье для производства автомобилей, является предметом дебатов на протяжении многих лет. Сегодня, однако, мы особенно близки к тому, чтобы широко использовать этот элемент для обеспечения высокой тяговой мощности. В настоящее время это решение не пользуется особой популярностью – в основном оно используется в больших автобусах. На рынке всего несколько тысяч автомобилей; чаще всего это демонстрационные автомобили или модели из частных коллекций.
Водородный двигатель, однако, страдает не от недостатка потенциала развития, а от отсутствия соответствующих исследований в этой области. Потенциал этого сырья признан большинством энергетических организаций. Поэтому ведутся передовые работы, направленные на то, чтобы сделать водородный топливный двигатель не только более эффективным, но и более доступным для ежедневного использования.
В настоящее время водородные технологии представляют интерес для тех стран, которые в наибольшей степени привержены программам климатических реформ, рассматривая это сырье как столь необходимую альтернативу электричеству. Однако пока еще не ясно, в какой степени энергетические установки смогут удовлетворить мировые потребности в эпоху электромобильности. Революция электромобилей, вероятно, потребует от нас полной реструктуризации транспорта и разработки альтернатив, которые позволят сотням тысяч электромобилей безопасно пользоваться электросетью. Возможно также, что водород, как высокопотенциальное сырье, навсегда останется в автомобильном секторе.
Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries – высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов
Электромобильность приносит не только новые возможности, но и вызовы. Для их реализации необходимы самые передовые решения. Опыт Knauf Automotive позволяет нам создавать инновации, которые помогают не только построить новую автомобильную отрасль, но и усовершенствовать существующие решения. Наша продукция предназначена для поддержки экологических решений. Мы стремимся предоставлять решения, пригодные для вторичной переработки и обеспечивающие добавленную стоимость на многих уровнях для клиентов.
Что касается водородных двигателей, то мы разработали высокотехнологичные решения с использованием таких материалов, как EPP. Перечень преимуществ EPP в защите купола для водородных судов является длинным.
Наиболее важным из них является амортизация ударов, так как основной задачей этой части является выполнение требований R134, который является регулированием для водородных суден. Детали из вспененного полипропилена должны быть стойкими к многократным ударам.
Другими ключевыми характеристиками компонентов из пенополипропилена для водородных сосудов являются:
- Легкость (детали с высоким рассеиванием энергии).
- Большой диапазон рабочих температур
- Химическая инерция
- Простота сборки
- Может поглощать изменение размеров сосудов
Те же самые характеристики делают EPP идеальным решением и для другого сектора «зеленой» мобильности – компонентов аккумуляторных батарей. Они позволяют снизить отрицательное влияние низких температур, которое негативно сказывается на их работе, без значительного увеличения веса автомобиля. Обеспечивая отличную электрическую и тепловую изоляцию, а также отличную ударопрочность, детали EPP являются важной частью решений, применяемых в электромобилях сейчас и будут применяться и в будущем.
Наши инженеры предлагают огромное количество различных решений для автомобильной промышленности, которые позволяют значительно улучшить функционирование электромобилей и автомобилей на водороде. Наш богатый опыт в сочетании с индивидуальным подходом позволяет нам сократить время вывода на рынок совершенно новых проектов, легко конфигурировать различные решения и быстро разрабатывать эффективные инновации, способствующие росту автомобильной промышленности в Европе и за ее пределами.
Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения
Это широко доступный, дешевый и эффективный элемент, поэтому уже сейчас стоит рассмотреть первоначальные мысли о моторе, в котором он будет использоваться. В настоящее время стоимость эксплуатации этого типа транспортных средств аналогична стоимости бензиновых автомобилей. Однако закупочная цена намного выше, а инфраструктура не так развита. Это те вопросы, которые, скорее всего, изменятся в будущем – и это будет значительным шагом на пути к улучшению экологической ситуации во всем мире.
Хотите получить более специализированные знания?
-
No related articles
Как устроен топливный элемент
Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды. Топливный элемент похож на электрическую батарею тем, что электрохимическая реакция происходит до тех пор, пока имеется топливо. Водород хранится в герметичном контейнере под давлением, кислород же берется из атмосферы. Из-за отсутствия горения нет никаких вредных выбросов, продуктом данного процесса является лишь чистая вода. Эта вода, выделяемая протонообменной мембраной топливного элемента, настолько чистая, что на демонстрациях топливных элементов посетителей часто могут угостить чаем из этой воды.
Фундаментально в топливном элементе происходит процесс электролиза в обратном направлении — с помощью двух электродов, разделенных электролитом. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) — кислород. Катализатор на аноде диссоциирует водород в положительно заряженные ионы водорода и электроны. Ионизированный кислород мигрирует через электролит в направлении анода, где соединяется с водородом. Один топливный элемент может обеспечить напряжение 0,6-0,8 В под нагрузкой. Для обеспечения более высокого напряжения необходимо последовательное соединение нескольких элементов. На рисунке 1 иллюстрируется концепция топливного элемента.
Рисунок 1: Принцип работы топливного элемента. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) — кислород.
Принцип получения энергии, заложенный в топливном элементе, является в два раза эффективнее сжигания углеродного топлива. Водород, самый простой химический элемент (состоящий из одного протона и одного электрона), является удобным и исключительно чистым топливом. Водород составляет 90% Вселенной и является третьим наиболее распространенным элементом на Земле. Такое богатство водорода обеспечивает практически неограниченные возможности генерирования энергии, но есть одна загвоздка.
Большинство водорода в природе находится в составе соединений, и его извлечение требует энергии. С точки зрения теплотворной способности, производство водорода является более дорогостоящим, чем производство бензина. Утверждается, что водород энергетически нейтрален, то есть полученная с его помощью энергия будет равна затраченной на его производство. (Смотрите: Конечная теплотворность).
Хранение водорода представляет собой еще один недостаток. Сжатый водород требует тяжелых стальных резервуаров, и если снова применить точку зрения теплотворности, но уже к объему, то показатель теплотворности газообразного водорода будет в 24 раза меньше показателя жидкого углеродного топлива. Если же хранить водород в жидкой форме, которая намного плотнее, то стоимость резервуара для такого “холодного” хранения будет еще выше.
Водород может быть получен с помощью риформинга путем экстракции из существующего топлива, такого как метанол, пропан, бутан или природный газ. Такое преобразование ископаемого топлива в чистый водород подразумевает некоторый остаток углерода — но количество этого остатка на 90% меньше, чем в продуктах горения из выхлопной трубы автомобиля. Добавление дополнительной установки для риформинга увеличивает вес и стоимость топливного элемента. К тому же, выгода от конверсии водорода находится под вопросом, поскольку она не решает проблему энергообразования в полной мере.
Даже при наличии высвобожденного водорода, ядро топливного элемента (стэк), преобразующее водород и кислород в электричество, является очень дорогим и имеет ограниченный срок службы. Вследствие этого, на сегодняшний день именно сжигание ископаемого топлива в двигателе внутреннего сгорания является самым простым и наиболее эффективным средством получения энергии, хотя и приводит к загрязнению окружающей среды.
Сэр Уильям Гроув, английский физик и химик, разработал концепцию топливного элемента в 1839 году, но она не получила развития — то было время активных исследований в области двигателей внутреннего сгорания, которые показывали обнадеживающие результаты. Так было вплоть до 1960 года, когда НАСА решило использовать именно топливные элементы во время космической программы Джемини. Щелочные топливные элементы выиграли конкуренцию у систем генерации ядерной и солнечной энергии, и обеспечивали как и выработку электроэнергии, так и производство питьевой воды для астронавтов.
Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.
1. Топливный элемент с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливный элемент с протонообменной мембраной, также известный как МОПТЭ, использует полимерный электролит. МОПТЭ является одной из наиболее развитых и часто используемых систем топливных элементов; области его применения распространяются на транспорт, портативные источники питания и обеспечение резервного питания. Система МОПТЭ имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокое соотношения энергии к весу. Еще одним преимуществом является возможность относительно быстрого запуска. Топливный элемент работает при умеренной температуре в 80°С и его КПД составляет 50% (показатель КПД двигателя внутреннего сгорания — 25-30%).
К недостаткам систем с протонообменной мембраной можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему управления подачи воды. Ядро топливного элемента не может быть запущено просто пуском водорода и кислорода, также необходимо и определенное стартовое количество воды в нем. Топливо для элемента, водород, должен быть чрезвычайно очищенным, так как в другом случае он может вызвать засорение или даже разложение мембраны. Настройка и обслуживание систем таких топливных элементов крайне сложны; к примеру, 150-вольтовая система насчитывает 250 отдельных элементов, которые необходимо правильно настроить.
Топливный элемент чувствителен к низким температурам, ведь это может привести к образованию льда. Это вынуждает добавлять в конструкцию нагревательные элементы, которые увеличивают конечную стоимость. Запуск в холодную погоду занимает больше времени, а производительность заметно ниже. Избыточное теплообразование также может привести к повреждению ячейки. Системы контроля температуры и подачи кислорода потребляют около 30% генерируемой электроэнергии.
При установке в транспортное средство, топливный элемент с протонообменной мембраной имеет расчетный срок службы 2000-4000 часов. Вследствие неравномерной нагрузки происходит излишнее увлажнение или, наоборот, высыхание ячейки, что способствует износу мембраны. При установке в устройство с непрерывным циклом работы, топливный элемент способен нормально функционировать на протяжении 40000 часов. Снижение функциональности происходит плавно, что делает его похожим на электрохимическую батарею. Замена ядра (стэка) топливного элемента является основной расходной частью обслуживания.
2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы получили наибольшее применение в космической отрасли (в том числе, для космических кораблей многоразового использования). Стоимость производства и обслуживания, особенно для ядра топливного элемента, являются сравнительно доступными. Например, сепаратор для топливного элемента с протонообменной мембраной стоит от $ 800 до $ 1100 за квадратный метр, а для щелочного его стоимость даже не берется в расчет (она сравнима с ценой квадратного метра сепаратора свинцово-кислотного аккумулятора и составляет $ 5). Также экономия достигается путем отсутствия необходимости в системе контроля за водными ресурсами. Коэффициент полезного действия такого топливного элемента находится в районе 60%. Но у него есть и недостатки, например, его физические размеры конструктивно больше, чем у версии с протонообменной мембраной, также ему необходим крайне чистый водород и кислород. Использование кислорода из окружающей среды, в составе которой есть двуокись углерода, может вывести такой элемент из строя. Данные недостатки ограничивают применение щелочных топливных элементов специализированными приложениями.
3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)
В крупных стационарных установках используются три вида топливных элементов — на расплаве карбоната (РКТЭ), на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ). ТОТЭ является наименее распространенным, но в последнее время из-за прорыва в исследованиях материалов и конструкции ядра элемента, на эту технологию обращено повышенное внимание. Благодаря новому поколению керамического материала удалось снизить рабочую температуру с 800-1000°С до 500-600°С. Это позволяет использовать нержавеющую сталь вместо дорогой керамики для вспомогательных деталей.
Высокая температура позволяет осуществлять прямое извлечение водорода из природного газа посредством процесса каталитического риформинга. Именно способность потреблять углеродное топливо без необходимости предварительного риформинга обеспечивает высокую эффективность и создает значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Благодаря теплообразованию, побочному продукту процессов в ТОТЭ, которое также возможно использовать для генерации электричества с помощью турбин, КПД твердооксидных топливных элементов может достигать 70%, что является самым высоким показателем среди всех видов топливных элементов. Среди недостатков — необходимость использования температуростойких и дорогостоящих материалов для ядра топливного элемента, которые имеют ограниченный срок службы.
4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Портативные топливные элементы являются крайне интересным и привлекающем внимание направлением, и наиболее перспективная технология для их создания – это прямое окисление метанола. Топливные элементы с прямым окислением метанола имеют небольшой размер, недороги в изготовлении, удобны в использовании и не требуют сжатого газообразного водорода. ПОМТЭ имеют хорошие электрохимические характеристики, их заправка производится путем впрыскивания жидкости или замены картриджа, что позволяет продолжать работу без простоев.
Реалии рынка и технологий на сегодняшней день таковы, что полноценным конкурентом классическим электрохимическим батареям топливные элементы пока быть не могут. Крайне интересным выглядит их использование в качестве зарядного устройства для обеспечения беспрерывной работы встроенного аккумулятора. Среди недостатков ПОМТЭ — ядовитость и огнеопасность метанола, из-за которых его использование и транспортировка жестко регламентируется. Например, перевозить разрешено только до двух дополнительных запасных картриджей емкостью не более 200 мл (на другие вещества для топливных элементов, к примеру, водород, данное ограничение не распространяется).
На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.
Рисунок 2: Микротопливный элемент. Этот прототип микротопливного элемента способен обеспечивать 300 мВт непрерывной мощности.
Рисунок 3: Топливный элемент Toshiba с заправочным картриджем. Картридж емкостью 10 мл содержит метанол чистотой 99,5%.
Исследования в сфере портативных топливных элементов не стоят на месте, например, корпорацией Toshiba был представлен прототип для использования в ноутбуках и других устройствах, способный генерировать от 20 до 100 ватт мощности. Прототип имеет компактные размеры, а по удельной энергоемкости сопоставим с никель-кадмиевой батареей. В то же время кампания Panasonic анонсирует модель аналогичных размеров, но с выходной мощностью, в два раза превышающей показатель прототипа Toshiba. Срок службы данной модели будет составлять порядка 5000 часов, при 8-часовом ежедневном использовании (с перерывами). Низкая долговечность является проблемой всех топливных элементов.
Делаются попытки создания портативных топливных элементов и на водороде, что дает преимущество в виде повышения эффективности и уменьшения размеров. Этим миниатюрным системам не нужны насосы и вентиляторы, вследствие этого они абсолютно бесшумны. При использовании с картриджем типового объема и с заправкой каждые 20 часов, такой элемент способен обеспечить энергию, эквивалентную 10 щелочным батарейкам типоразмера АА. Микротопливные элементы найдут свое применение в портативной компьютерной технике, беспроводной связи, фонариках и даже электровелосипедах.
Также такие элементы интересны для использования в военной и рекреационной сферах. На рисунке 4 показан портативный топливный элемент кампании SFC (Smart Fuel Cell), поставляемый с различными мощностными характеристиками — от 600 до 2160 Вт*ч в день.
Рисунок 4: Портативный топливный элемент потребительского сегмента. Топливный элемент преобразует водород и кислород в электричество с единственным побочным продуктом — чистой водой. Топливные элементы могут использоваться в помещении в качестве генератора электроэнергии.
В таблице 5 описаны сферы применения, преимущества и ограничения обычных топливных элементов. Таблица включает в себя не рассмотренные выше технологии на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и на основе расплава карбоната (РКТЭ).
Тип топливного элемента | Сфера применения | Рабочая температура и КПД | Преимущества | Недостатки |
Мембрана обмена протонов | Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт | 50-100°С; 80°С номинал; 35-60% КПД |
Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология | Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов |
Щелочной | Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт | 90-100°С; 60% КПД |
Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов | Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода |
Расплав карбоната | Большие установки электрогенерации | 600-700°С; 60% КПД |
Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация | Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность |
На основе фосфорной кислоты | Средние и большие установки электрогенерации | 150-200°С; 40% КПД |
Непритязательность к качеству топлива, когенерация | Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор |
Твердооксидный | Средние и большие установки электрогенерации | 700-1000°С; 60% КПД |
Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность | Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность |
С прямым окислением метанола | Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации | 40-60°С; 20% КПД |
Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора | Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность |
Таблица 5: Преимущества и недостатки различных систем топливных элементов.
Разработки и улучшения в сфере топливных элементов происходят постепенно, малый показатель удельной мощности не позволяет быть прямым конкурентом электрическим батареям.
Топливным элементам присущи такие ограничения как медленный запуск, низкая выходная мощность, медленная реакция на потребность в электроэнергии, плохие нагрузочные характеристики, маленький диапазон мощности, короткий срок службы и высокая стоимость. Подобно электрическим батареям, производительность всех топливных элементов снижается с возрастом, это происходит из-за постепенной деградации компонентов ядра (стека) топливного элемента. Такая проблема потери эффективности гораздо менее выражена, например, у двигателей внутреннего сгорания.
Топливным элементам мощностью менее 1 кВт, как правило, не нужно давление при работе, и подача кислорода происходит только с помощью вентилятора; системы же свыше 1 кВт герметичны и оборудованы компрессором, который снижает общую эффективность и является довольно шумным. Относительно высокое внутреннее сопротивление представляет собой еще одну проблему. Каждая ячейка стека производит около 1 В в открытой цепи, подключение большой нагрузки приводит к заметному падению напряжения. Подобно электрической батарее, мощность топливного элемента уменьшается с возрастом. Отдельные ячейки могут выходить из строя и вызывать сбои в работе, приводящие к неправильному функционированию всей системы или загрязнению окружающей среды. На рисунке 6 показаны значения напряжения и мощности в зависимости от нагрузки.
Рисунок 6: Диапазон мощности портативного топливного элемента. Высокое внутреннее сопротивление приводит к быстрому падению напряжения при подключении нагрузки. Диапазон мощности ограничен значениями от 300 до 800 мА.
Топливные элементы лучше всего работают при нагрузке 30%, более высокие значения снижают эффективность. Это вкупе с плохой чувствительностью дросселя ограничивают эффективное использование топливных элементов сферой вспомогательного электропитания и зарядных устройств. Роль автономного источника питания, изначально предназначаемая топливным элементам, пока что остается непокоренной ими.
5. Парадокс топливной ячейки
Пик популярности топливных элементов пришелся на 1990-е годы, когда ученые и инженеры были увлечены идеей о экологически чистом и неиссякаемом топливе — водороде. Предсказывалось, что каждый автомобиль и домохозяйство вскоре будут работать на топливных элементах. Акции профильных компаний взлетели до небес, но вскоре индустрия уперлась в грань — была достигнута предельная производительность, а высокие производственные затраты и ограниченный срок службы весьма ограничивали применение топливных элементов.
Ожидалось, что топливные элементы окажут на мир такое же влияние, как оказали микропроцессорные технологии в 1970-е годы. Этот экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии должен был решить проблему ископаемого топлива с его ограниченными запасами и экологическими проблемами. С 1999 по 2001 год более 2000 компаний активно взялись за разработку топливных элементов, четырем крупнейшим из них удалось привлечь инвестиции в размере 4 миллиардов долларов. Но что пошло не так?
Водород сам по себе не является источником энергии, он лишь форма транспортировки и хранения энергии аналогичной электричеству, которым заряжается батарея. Чтобы представить себе “сжигание бесконечного количества водорода”, необходимо сначала произвести водород, что нельзя сделать по аналогии с нефтью, добыв ее из-под земли. Водород возможно получить из ископаемого топлива, но конечная полученная энергия в этом случае будет меньше, чем в случае прямого сжигания углеродов. Единственным достоинством такого способа будет уменьшение вредных выбросов в атмосферу.
Подобно тому, как не удалось создать паровой самолет в середине 1800-х, можно предположить, что топливные элементы никогда не станут той формой источника энергии, в которой их видели разработчики. Но существует определенное развитие этой технологии в автомобильной промышленности, есть спрос на них и в качестве вспомогательных источников питания, которые могут быть установлены в труднодоступные районы с минимальной возможностью обслуживания. Топливные элементы позволяют непрерывную и экологически чистую эксплуатацию, где бы они не были установлены. Вполне вероятно, что продолжающееся развитие технологий позволит однажды расширить сферы применения топливных элементов, и мечтам о массовом экологически чистом транспорте на водородном топливе суждено исполнится.
Последнее обновление 2016-02-27