Топливные элементы в электромобилях

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В  ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ

 

Топливный элемент — это электрохимическое  устройство преобразования энергии, которое  за счет химической реакции преобразовывает  водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. 

 

                       

Рисунок 1 – Водородно-кислотный  топливный элемент

 

Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива — водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

 В перспективе топливные  элементы смогут составить конкуренцию  многим другим системам для  преобразования энергии (включая  газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением выделяющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энергию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую выше 50%. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.

 Топливный элемент обеспечивает  выработку электрического тока  постоянного напряжения, который  может использоваться для привода  в действие электродвигателя, приборов  системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.

 Щелочной топливный элемент  — это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водорода и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, скорее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.

 Топливные элементы на основе  фосфорной кислоты могут найти  применение в стационарных установках  невысокой мощности. Они работают  при довольно высокой температуре  и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффективными для использования в автомобилях.

 Твердоокисные топливные элементы  лучше подходят для крупных  стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать  электричеством заводы или населенные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с другой стороны, имеется преимущество — пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.

 Одна из наиболее многообещающих  систем — протонно-обменный мембранный  топливный элемент — ПОМТЭ  (PEMFC — Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.

 

 

 

 

 

 

 

 

Химические процессы в  топливном элементе

 

 

 В топливных элементах применяется  электрохимический процесс соединения  водорода с кислородом, получаемым  из воздуха. Как и в аккумуляторных  батареях, в топливных элементах  используются электроды (твердые  электрические проводники) находящиеся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положительный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как побочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента — водяной пар.

 Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока) для получения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразователя электроэнергии заключается в преобразовании постоянного электрического тока, произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяговый электродвигатель транспортного средства.

 

                                   

 

Рисунок 2 - Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной

 

Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной:

1 — анод;

2 — протонно-обменная мембрана (РЕМ);

3 — катализатор (красный);

4 — катод.

 Протонно-обменная мембрана топливного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента.

 

Отдельная ячейка топливного элемента

 

Рисунок 3 – Отдельная ячейка топливного элемента

 

 Рассмотрим, как устроен топливный  элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячейки, проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем электрическом контуре (цепи). Для этого в нем гравируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализатора. Катод (положительный полюс топливной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора. Он также проводит электроны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с образованием воды. Электролит — протоннообменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов.

 Катализатор — специальный материал, который облегчает реакцию между кислородом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеродистую бумагу или ткань. Катализатор должен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембраной (ПОМ).

 Газообразный  водород (Н2) подается в топливный  элемент под давлением со стороны  анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они проходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в действие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.

 Тем временем  со стороны катода топливного  элемента газообразный кислород (O2) продавливается через катализатор,  где он формирует два атома  кислорода. Каждый из этих атомов  имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура (цепи) с образованием молекулы воды (H2O).

 Эта реакция в отдельном  топливном элементе производит  мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы  поднять мощность до требуемого  уровня, необходимо объединить много  отдельных топливных элементов,  чтобы сформировать батарею топливных  элементов.

 Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.

 На протяжении последних  лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы. Многие уже продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощностными и динамическими характеристиками, хотя они имели довольно высокую стоимость.

 Совершенствование конструкций  таких автомобилей происходит  очень интенсивно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антэл - автомобиль ВАЗ  на топливных элементах

 

          Первый  отечественный экологически чистый  автомобиль АНТЭЛ построен на базе ВАЗ-2131 "Нива", вернее, этот автомобиль был носителем топливных элементов.

           На  смену первому АНТЭЛу пришел  второй, а затем и третий. Главное  отличие последней - на борту  нет баллонов высокого давления, да и заправлять ее надо обычным бензином.

В 2001 году только кузов пятидверной "Нивы" мог вместить громоздкую силовую установку на топливных  элементах. Под капотом электродвигатель мощностью 25 кВт, батарея для разогрева  и запуска энергоустановки и  блок системы управления. Источник энергии - модернизированный электрохимический генератор "Фотон", созданный в свое время для решения космических задач. Его "упаковали" в просторный багажник бывшего вседорожника, ставшего переднеприводным электромобилем. Баллоны с кислородом спрятали под задним сиденьем, а водородные, в которых газ под давлением 250 атмосфер, - непосредственно над генератором. Места для багажа не осталось. С пятью седоками в салоне масса машины вплотную приближалась к двум тоннам. При запасе водорода 60, а кислорода 36 л автомобиль развивал скорость до 80 км/ч и преодолевал 200 км без "заправки".   

 

 

 

 

 

 

 

 

Это ВАЗ-2111, который  и по начинке существенно отличается от первого АНТЭЛа. Новый электродвигатель переменного тока очень компактен, поэтому уместился в моторном отсеке вместе с энергоустановкой. Сама установка - уже не доработанная космическая батарея, а созданный специально для автомобиля водородно-воздушный электрохимический генератор. Кислород он берет из атмосферного воздуха, очищенного от примесей углекислоты.

 Водородные баллоны разместили  под пол багажника. Их суммарная  емкость увеличена до 90 л, сжатых  до 400 атмосфер. Это позволило довести  запас хода до 350 км, что уже  сравнимо с обычным автомобилем.  Под подушкой заднего сиденья,  где обычно расположен бензобак, размещены блоки систем управления источниками питания и электроприводом, а также буферная батарея. Ее задача - обеспечить разогрев и запуск энергоустановки и помогать ей при пиковых нагрузках. Багажник почти свободен. Его емкость - 350 л - несколько меньше штатного, так как пол чуть приподнят над водородными баллонами.

 Второй АНТЭЛ получился легче  почти на 300 кг, уложившись в снаряженную  массу 1300 кг. Максимальная скорость  выросла до 100 км/ч.

 В проекте участвовали многие  предприятия. Щелочные воздушно-водородные топливные элементы напряжением 240 вольт созданы совместно с Уральским электрохимическим комбинатом. Наряду с переходом от сжатого кислорода к атмосферному воздуху, почти в 20 раз снижено содержание драгоценных металлов в катализаторах и, соответственно, стоимость последних.

 Рыбинская научно-исследовательская  лаборатория разработала и изготовила  компактный и легкий тяговый  электродвигатель, КПД которого  более 90% - на 20% выше первого двигателя.  Новый электромотор вдвое легче и вчетверо мощнее. В режиме торможения автомобиля электродвигатель способен работать в режиме генератора, подзаряжая буферную батарею (рекурперация).

 Совместно с ракетно-космической  корпорацией "Энергия" созданы  супербаллоны, способные хранить  водород под давлением 400 атмосфер, и система очистки воздуха от присутствующего в нем СО2.

 Питерская аккумуляторная компания "Ригель" сделала никель-металлогидридный  аккумулятор напряжением 240 В  и емкостью 10 А.ч. Он превосходит  традиционные свинцово-кислотные  по удельной энергоемкости в четыре раза. Эта батарея обеспечивает быстрый запуск энергоустановки и подключается к ней, увеличивая ее мощность в два раза при разгоне автомобиля.