Авто на топливных элементах

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 600 о С. 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.

Читайте также:  Записаться на прием к врачу через эмиас

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 60 о С (на полную мощность он выходит при 95 о С). 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 60 о С 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).

Читайте также:  Лучшие объективы для кропа nikon

Кандидат технических наук, профессор Г. Мирзоев,
советник вице-президента ОАО "АВТОВАЗ" по техническому развитию.
Записала А. МАГОМАЕВА.

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.

Примеряем будущее за рулем первого серийного автомобиля на топливных элементах. Футуристический седан Toyota Mirai потребляет исключительно водород. В баки моей машины его поместился ровно килограмм. До заправки трип-компьютер обещал 260 км пути, после — 330 км. Но я уверен, что смогу проехать все пятьсот!

23-Toyota-Mirai_zr-12_15

Литр дизеля за один евро? В Гамбурге? Фантастика! Прекрасно помню, что год назад, когда я путешествовал на машине по Европе, солярка была ощутимо дороже. Но вот очередная АЗС — и тоже евро за литр… Просто в Германии, в отличие от России, цены на нефтепродукты оперативно переписывают вслед за ценой на нефть не только в бóльшую сторону, но и в меньшую.

Даже жаль, что ни дизель, ни бензин мне сегодня ни к чему — ведь я веду по окрестностям Гамбурга первый в мире серийный автомобиль на топливных элементах. Для заправки футуристического седана Toyota Mirai требуется исключительно водород.

ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Все происходит точь-в‑точь как на обычной АЗС. Через терминал я оплачиваю необходимое количество топлива, присоединяю штекер к заправочной горловине, и в течение трех-четырех минут водород заполняет топливные баки. Это два баллона высокого давления (700 бар) из углепластика с трехслойной структурой: 60‑литровый размещен под задним сиденьем, а другой (62,4 л) — ближе к задней подвеске. Суммарная емкость — пять килограммов водорода.

Читайте также:  Сравнение степеней с рациональным показателем

03-Toyota-Mirai_zr-12_15

На всю Германию — лишь девятнадцать общедоступных водородных заправок. По заверению производителя, Toyota Mirai на полных баках может проехать 500 км, а тестовый маршрут проложен так, что в поле я не встану; но очевидно, что нынешняя водородная инфраструктура пока не в состоянии обеспечить комфортную жизнь владельцам водородомобилей.

Ситуация изменится к 2023 году, когда число водородных заправок в Германии перевалит за четыре сотни. Стоимость проекта — свыше 400 миллионов евро, по миллиону на каждую АЗС. Внушительную часть средств инвестируют фирмы Toyota, Honda, BMW, Volkswagen и Daimler.

В Японии к концу года будет функционировать около восьмидесяти водородных АЗС, тоже при участии автопроизводителей. В США — около тридцати.

Я же перехожу от теории к практике. Включаю (как непривычно применять этот термин!) автомобиль кнопкой Start/Stop, обнуляю трип-компьютер, маленьким джойстиком на консоли выбираю режим Drive и абсолютно бесшумно трогаюсь с места.

01-Toyota-Mirai_zr-12_15

При заправке «до полного» в баки моей машины влез ровно килограмм водорода. До заправки трип-компьютер обещал 260 км пути. После — 330 км. Но я уверен, что смогу проехать все пятьсот!

КИЛО НАДЕЖДЫ

Toyota Mirai — по сути, электромобиль. Электричество вырабатывается в блоке топливных элементов при взаимодействии водорода и кислорода. Электрический ток проходит через инвертор (Fuel Cell Boost Converter), где преобразуется из постоянного в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В.

Реакция происходит без процесса горения, а «выхлоп» — безвредный водяной пар.

Тяговый синхронный электродвигатель приводит в движение передние колеса. Питание — не только от топливных элементов, но и от расположенной в задней части машины никель-металлгидридной аккумуляторной батареи максимальной выходной мощностью 21 кВт: она подпитывается при рекуперативном торможении и отдает энергию при резких ускорениях. Максимальная отдача электромотора — 113 кВт (154 л.с.).

Mirai весит 1850 кг, и полторы сотни «лошадей» не сулили ничего интересного. Но водородомобиль оказался отнюдь не беззубым! Крутящий момент в 355 Н∙м, доступный во всем диапазоне оборотов, обеспечивает уверенный разгон. А ускорение в режиме Power (принудительно задействуется вторичная батарея) таково, что тебя вжимает в сиденье — поневоле веришь в заявленные 9,6 секунды разгона до сотни. На безлимитном автобане я играючи разогнал Mirai до 180 км/ч!

13-Toyota-Mirai_zr-12_15

Благодаря низкому центру тяжести управляемость крупного седана очень надежна. А вот куража нет. Ездить нужно спокойно, наслаждаясь плавностью хода и тишиной. Лишь при интенсивных разгонах в салон прорывается едва уловимый троллейбусный гул.

Двухцветный интерьер приятен глазу и комфортен. Несмотря на экзотическую архитектуру панели, я не испытываю никаких неудобств — эргономика в порядке, а среди оснащения есть даже обогрев сидений заднего ряда и руля. Расстроила лишь безбожно тормозящая мультимедийная система с сенсорными кнопками.

По автобану я проехал буквально километров пять. Съехал на второстепенную дорогу, включил режим Eco и покатил предельно размеренно. А теперь представьте мое удивление, когда через 65 км трип-компьютер вновь стал показывать «предзаправочный» запас хода: 260 км. Выходит, несмотря на мои старания, на килограмме водорода удалось продержаться лишь обещанные электроникой 70 км — и в реальных условиях пробег на полных баках составит около 350 км. Никак не пятьсот.

02-Toyota-Mirai_zr-12_15

ЖДЕМ СКИДОК

До сих пор я не обмолвился о главном: за этот самый килограмм водорода на гамбургской заправке я заплатил 9,5 евро. Даже если вычеркнуть автобан и допустить, что в пенсионерском темпе я проехал бы на этом килограмме около ста километров, получается неприлично дорого. Дизельный автомобиль схожей мощности в аналогичном режиме езды потребовал бы не больше пяти литров солярки, которая обошлась бы мне в пять евро — вдвое дешевле!

И выходит, что единственный резон в пользу покупки Mirai — забота об окружающей среде. Да и то весьма сомнительная. Ведь при получении водорода из природного газа с помощью реакции паровой конверсии (именно так производится около половины всего водорода) в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. А производство водорода путем электролиза воды — процесс более дорогой и энергозатратный.

Последний гвоздь в крышку гроба здравого смысла — цена. В Германии Toyota Mirai обойдется минимум в 66 тысяч евро! При нынешней стоимости водородного топлива я не вижу ни одной причины для покупки этого футуристического водородомобиля. Конечно, к электромобилям поначалу тоже относились скептически, а сейчас Tesla завоевала сердца и умы людей во всем мире. Но популярная Tesla Model S появилась не сразу, к тому же по карману она лишь толстосумам.

Mirai

История

Mirai_Antuan

Официальным открывателем химического элемента, занимающего первую ячейку таблицы Менделеева, признан французский химик и естествоиспытатель Антуан Лоран Лавуазье. В 1783 году он установил, что водород входит в состав воды. Первый поршневой двигатель, работающий на водороде, построил франко-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз в 1807 году. Водород он получал методом электролиза воды. А выхлопные газы представляли собой смесь водяного пара и азота.

Конкурент

Honda-FCV-Concept-rear-three-quarter

В конце октября компания Honda показала мелкосерийный водородный седан Honda Clarity Fuel Cell. Принцип действия — точь- в‑точь как у Mirai. Мощность силовой установки составляет около 100 кВт (135 л.с.), заявленный запас хода — 700 км, время заправки не превышает трех минут. Начало производства намечено на весну 2016 года.