Fuel Cell. Автомобили на топливных элементах

05.01.2010

Из нашего форума: «Братцы, помогите! Топливная батарейка перестала работать, самодиагностика показала утечку водорода, в чем может быть причина? Код неисправности Wххххххх»
Форум ЛЕГИОН-АВТОДАТА, 2019 год

Четыре года назад представители автомобильного концерна GM сделали прогноз, который многим показался фантастическим:

«… стоимость автомобилей на водородных топливных элементах в течение ближайших 10-15 лет сравняется со стоимостью бензиновых аналогов».



И стоило зарыться в информацию по данному вопросу, как оказалось, что все ведущие автомобильные компании уже давно занимаются этим вопросом. И не только занимаются, а уже начали выпускать серийные образцы в ограниченных версиях (к большому сожалению надо отметить, что российская автопромышленность не входит в число «ведущих» и продолжает штамповать автомобили с названиями «Жигули» и «Лада»).

Так как наш форум «япононаправленный», то первым представим автомобиль японского концерна:

На приведенной справа блок-схеме показано устройство и расположение компонентов:

- красным цветом выделены устройства, относящиеся к нововведениям \ system\fuel cell

- желтым: компоненты и устройства, использующие выработанную энергию (приблизительно как в автомобиле Prius)

Принцип действия Fuel Cell:

- это устройство, которое превращает энергию химических реакций в электрическую энергию

FUEL CELL (топливная ячейка, элемент) является электрохимическим устройством. Она похожа на обычный гальванический элемент, но отличается способом подачи вещества, необходимого для производства электрохимической реакции:

- в батарейке или аккумуляторе это вещество строго ограничено

- в Fuel Сell вещество для электрохимической реакции подается извне

Выработанная таким образом энергия передается в HV Battery Pack, имеющей такие параметры (для TOYOTA FCHV):

HV Battery Pack
Battery pack voltage 274-Volts
NiMH battery module dimensions (inches) 11x3/4x4
NiMH Battery module weight 2.2 lbs
Battery pack weight 100 lbs

Что говорят в мире о таком нововведении:

Fuel Cell является только промежуточным звеном и рассчитана на очень большой срок работы. Для примера:

- когда сжигается обычное топливо, его окисление производится кислородом, а выделившаяся энергия идет на совершение полезной работы.

- в топливном элементе реакции окисления топлива и восстановления кислорода разделены пространственно, а процесс «сжигания» происходит только тогда, когда ток отдается в нагрузку (топливный элемент не является тепловой машиной и не подчиняется законам Карно, эффективность его работы не определяется разностью температур).

Fuel Cell использует в качестве окислителя кислород. Топливом является водород.

Внутри Fuel Cell протекает такая химическая реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло

На выходе мы получаем полезную энергию и водяной пар. Самым простым устройством является Fuel Cell с протонообменной мембраной:

Принцип работы:

- поданый в Fuel Cell водород разлагается под воздействием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+

- мембрана играет роль электролита, как в обыкновенной батарейке (пропускает протоны и задерживает электроны)

- скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 0,90-1,3 вольта)

- при включении FC в нагрузку, электроны потекут через FC к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом

- катализатором в Fuel Cell обычно применяется платина

- из-за такой структуры катализатор хорошо пропускает через себя газ и электричество

- рабочая температура FC равняется от 35 до 83 гр. Цельсия

В настоящее время существуют такие виды Fuell Cell:

AFC Alkaline Fuel Cell (щелочная топливная ячейка)
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (фосфорно-кислотная топливная ячейка)
PEMFC или PEFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell or Polymer Electrolyte Fuel Cell (топливная ячейка с протонной обменной мембраной или топливная ячейка электролита полимера
DMFC Direct Methanol Fuel Cell (топливная ячейка с прямым распадом метанола)
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (топливная ячейка расплавленного карбоната)
SOFC Solid Oxide Fuel Cell (топливная ячейка с постоянным содержанием кислорода)

В зависимости от типа применяемой FCell, топливом для неё могут быть такие вещества:

водород бензин
метанол метан
этанол пропан
окись углерода другие носители энергии с большим содержанием водорода

Однако широкому применению автомобилей, использующих Fuel Cell, пока что мешает неразвитая водородная инфраструктура. То есть, практически нет заправочных станций для подобных систем.

Кроме того, есть проблема в получении водорода и его хранении.

В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока что дорогие.

В катализаторе используется платина, что так же повышает стоимость.

Есть и другие проблемы, пока что нерешенные…

Как говорит Тарас Ванкевич, вице-президент сингапурской компании Horizon Fuel Cell Technologies, которая производит продукцию, работающую на топливных элементах "Эту технологию очень сложно ввести в повседневную жизнь, возможность ездить на автомобиле, приводимом в движение чем-то, что не горит и не загрязняет атмосферу, до сих пор относят к разряду фантастических".

Однако автомобильные компании видят в такой технологии будущую прибыль и уже сейчас начинают активно заниматься этим вопросом:

Ford Focus FCV

Honda FCX Clarity

Kia Sportage FCEV

Mazda RX-8 RE

Mitsubishi Nessie SUV

Toyota Fine-T (Fine-X)

В Калифорнии (США) уже применяются и проходят полевые испытания заправочные станции.

На снимке слева: Honda FCX Hydrogen Concept Car производит дозаправку




© 1999 – 2009 Легион-Автодата

Приложения:
* Статья: "Автомобили, топливные элементы и многоуровневые конверторы" Автор: Евгений Карташев, к. т. н. ссылка
* История вопроса: "...Топливные элементы были открыты еще в далеком 1839 гуду сэром Вильямом Гровом, когда он изучал электролиз воды" ссылка
* Автомобили ведущих автопроизводителей, использующих альтернативное топливо, фото и описания ссылка
* TOYOTA FCHV-adv,- фото, описание и ТТХ автомобиля ссылка
* Список автомобилей, использующих альтернативное топливо ссылка
* Видео-ролик: Honda FCX Hydrogen Fuel Cell Car ссылка
* Видео-ролик: Toyota fuel cell: Ссылка 1 / Ссылка 2
* Описание, ТТХ, блок-схемы автомобиля TOYOTA FCHV ссылка
*  Водородные программы Японии и других стран мира ссылка