Устройство

Эксплуатация

Ремонт

Приём звонков:
Пн. - Пт.
10:00 - 18:00

Автомобили на водородных топливных элементах

FCEV

- также известные как FCV, F-Cell, FCEV (англ. "hydrogen fuel cell vehicle") и так далее. Конструктивно близки к электромобилям. Их двигатели также приводятся электрическим током.

Однако, основным источником тока в данном случае является не сколько электрический аккумулятор, сколько батарея водородных топливных элементов, заряжающая этот аккумулятор.


Преимущества машин с hydrogen fuel cell

пункт Абсолютно чисты экологически: загрязнение окружающей среды при эксплуатации равно нулю.

пункт В топливный элемент рабочие вещества подаются извне. Способность такого "генератора" выдавать напряжение ограничена только размерами бака с сжатым водородом. В обычной же аккумуляторной батарее имеется ограниченный её объёмом и уровнем заряда запас веществ для электрохимической реакции.

пункт Даже самый лучший аккумулятор разряжается тем быстрее, тем выше ток разрядки. После непродолжительной интенсивной разрядки (например, при резком ускорении) обычный электромобиль теряет динамику. Водородомобиль, как и машина с обычным двигателем внутреннего сгорания, сохраняет нормальную динамику до исчерпания запаса топлива.

пункт Бак для водорода, в отличие от высоковольтного аккумулятора у электромобилей, не теряет своих качеств с годами. И не умирает от сильного холода, что особенно актуально для нас. Не имеет "эффекта памяти" и прочих подобных проблем.

пункт Используемый атмосферный воздух не требует запасания.

пункт Ёмкость бака может быть восполнена в течение 2-5 минут на специальной заправочной станции. Обычная же аккумуляторная батарея требует полной замены на заряженную - или долгой зарядки. Да и зарядка - не такой уж простой процесс. Её КПД низок; подводные камни тоже присутствуют: к примеру, производитель автомобилей Tesla рекомендует заряжать высоковольтную батарею ровно на столько, сколько нужно для сегодняшней поездки, чтобы продлить батарее жизнь.

пункт Коэффициент полезного действия всей системы чрезвычайно высок. Традиционные силовые установки с двигателями внутреннего сгорания не могут иметь фактический КПД выше 40%, так как большое количество энергии рассеивается на неуловимое, бесполезное тепло.

пункт Благодаря транспортным средствам этой схемы в прошлое уйдут выхлопные газы, моторное масло, каталитический нейтрализатор и ещё множество дорогостоящих, вредных для здоровья устройств и материалов.

пункт Могут быть использованы как бытовые электрогенераторы. Одного килограмма сжатого водорода хватает на 100 километров пробега по трассе или на пару дней запитки большого частного дома.

пункт Машины с ЭХГ, в отличие от электромобилей, не замёрзнут на дороге в сильный мороз, и не будут терять значительных объёмов ресурса на печку. Силовая установка имеет рабочую температуру порядка 80 градусов Цельсия, и выдаёт некоторое количество тепла, необходимого для самопрогрева.

пункт Хотя скептики, как у них принято, пугают гипотетическими сложностями, за производством водорода в нужных человечеству объёмах дело не станет. Пока есть ископаемое топливо - из него можно уверенно выделять водород. Когда кончится оно - потребуется развитие солнечной энергетики, но уж она не исчерпает своего ресурса буквально до скончания времён.*

__________
*
Давайте грубо прикинем, что к чему.
Маломощная домашняя установка по электролизу воды потребует порядка 9 кВт\ч на 1 кубометр (с учётом затрат на сжатие и потерь). Интересно, что для получения водорода из воды требуется очень малое напряжение - буквально от 1 до 2 вольт. И полноценная домашняя солнечная электростанция способна обеспечить аккумуляцию энергии в водород.
При температуре 0 С 1 кг водорода имеет объём порядка 11 кубометров в несжатом виде (в сжатом, да в баллоне - не более 30 литров). Эта масса топлива позволяет на современном FCV-авто проехать порядка 100 километров по шоссе или порядка 50 - по пробкам.
Таким образом, для получения 500 км городского пробега потребуется порядка 1000 кВ\ч электроэнергии. Осталось лишь установить источник энергии - набор солнечных модулей на ~25 кВт. При солнечной погоде они нарубят водорода достаточно, чтобы наезжать по 50-120 км в день. Подметим также, что именно в комбинации с ЭХГ и накопителем водорода солнечные панели обретают способность аккумулировать и ровно отдавать электроэнергию.




Безопасность

Вопреки утверждениям интеллектуалов из Интернета, зачастую не имеющих даже высшего технического образования, водородомобили при штатной эксплуатации менее пожароопасны, чем обычные автомобили.

Если, скажем, прострелить бак с сжатым водородом, или пробить его об выступающую часть дороги, то взрыва не произойдёт. Водород покинет бак за считанные секунды, разрушив корпус. Это произойдёт из-за его летучести, и недостатка кислорода, требуемого для полного сгорания. Кроме того, часто ли взрываются современные машины с газобалонным оборудованием? Очень редко.



Устройство, основные элементы и принцип работы
водородно-кислородного топливного элемента (батареи топливных ячеек)

Основными элементами силовой установки авто на топливных ячейка являются:

1. Высоковольтная аккумуляторная батарея.

2. Покрытые катализаторами из "благородных" металлов электроды - анод и катод.

3. Мембрана, разделяющая электроды. Свободно пропускает катионы (Н+), но не пропускает электроны (е-). Как правило, изготавливается из керамики, полимеров или других материалов.

4. Высоковольтные провода электрической сети, соединяющие анод и катод через потребители.

5. Потребители: бортовая электросеть, тяговые электромоторы.

6. Бак с топливом: как правило речь идёт о сжатом газообразном двухатомном H.

7. Системы подачи топлива, атмосферного воздуха и системы отвода воды.

Образование воды (далее в этой статье - "топливо") происходит в топливных ячейках без процесса горения и без выделения большого количества тепла. Следует также понимать, что данная система построена без возможности заряжаться от электросети и вырабатывать топливо. Формула преобразования проста: H2 = (2e-) + (2H+). (4H+) + (4e-) + (O2) = вода.

Принципиальная схема работы силовой установки с fuel cell обрисована на картинке ниже (в предельном упрощении):



fuel cell принцип работы


История водородомобилей (кратко)

В 1839 году британский физик Уильям Гроув проводил эксперименты по электролизу воды. Он обнаружил, что обратный процесс происходит с незначительным тепловыделением: вырабатывается относительно много электричества, а потери на тепло невелики.

Уже в шестидесятых-семидесятых годах США и СССР параллельно экспериментировали с топливными элементами. Останавливало эксперименты то же, что и сегодня - отсутствие массового производства дешевого водорода и высокая наукоёмкость подобного транспорта.

Практически до 2015ого года данная технология лежала на полке - в том числе и буквально; расконсервация показывает, что ЭХГ не выходят из строя со временем.

В 2015ом году, после появления в свободной продаже Toyota Mirai, все уважающие себя производители ломанулись делать массовые водородомобили. И у каждого на рекламе стоит заявление вроде "оригинальный, первый в своём роде". Катающийся на "холодносжигаемом" водороде в 2003 году ВАЗ-2131 тактично не упомянут. Стоивший в мелкосерийном производстве тогда дешевле, чем "Тесла" стоит сейчас.

Впрочем, это не важно; важно другое. Именно в 2015ом Тойота открыла все свои "водородные" патенты - более пяти тысяч штук - для публичного использования. Вот теперь старт действительно дан!

Чтобы понять ажиотаж автопроизводителей, нужно войти в их положение. Безумные, иррационально высокие требования стандартов ЕВРО-6 недостижимы для двигателей внутреннего сгорания в режимах частичных нагрузок (то есть - в городском цикле) без применения сомнительных дорогостоящий технических решений.

"Просто электромобили" на самом деле не так уж просты: аккумуляторы дороги, и имеют массу проблем. В настоящий момент - 2015ой год - сделать дешевый городской электромобильчик смогли такие производители как Nissan, Mitsubishi и другие... Но он неудобен в эксплуатации, особенно в прохладном климате. Его пробег смехотворен, а потребности в зарядке трудно удовлетворить, не пересаживаясь время от времени на общественный транспорт.




За топливными ячейками будущее
Почему они победят?

Частные мнения различных специалистов автомобильной области, обладающих огромным опытом, в данном вопросе сходятся по меньшей мере в нескольких моментах.

Точно также, как когда-то были преодолены проблемы инфраструктуры, сертификации и безопасности применения природного газа, также будут преодолены и проблемы водородной энергетики. Ещё в 2005 году Хонда представила свою "Home Energy Station III" - основу будущих частных домовладений, принадлежащих автомобилистам. Эта установка обогревает дом, перерабатывая природных газ в водород. Остроумное решение: тепло не является потерей, если оно нужно в доме.

Если же проснутся и "наши", российские деятели - быть нам на коне, друзья. Запасы газа у нас есть - будет и водород. В отличие от Европы, у которой кроме понтов и п*доров нет ничего. Да и газ не так уж важен: пока будет солнечный свет, равнина либо морская гладь, где можно положить солнечную батарею, и вода, топливо для ЭХГ будет ВСЕГДА. И запасать его водородом - проще и надежней, чем аккумуляторами (см. схему в конце статьи).

Развитие аккумуляторных электромобилей никогда не станет серьёзным. Ни применение ионизаторов, ни удешевление существующей технологии запасания электроэнергии ничего не даст - сами технологии весьма несовершенны, и их мощность недостаточна для автомобилей. Не говоря уже о потребляемой мощности - в мире не хватит электричества.

ЭХГ же в принципе очень эффективны. Особенности водородно-кислородных электрохимических генераторов таковы, что они могут в определённых условиях не только не нагревать окружающую среду, но и забирать из неё тепло.

Возможности применения суперконденсаторов в водородомобилях также куда шире - ведь требующий запасания объём энергии в десятки раз меньше, чем у чисто электроприводной машины.

Кто-то скажет, что водород дороговат. Возможно, возможно - если нет инфраструктуры. Но реально стоимость этого топлива, исходя из стоимости километра пробега, в России навряд ли привесит стоимость километра пробега на обычной машине в Европе. Дороже, да - ну и что с того? Хочешь ездить на бешеной электротяге, да ещё и без вреда - это стоит денег, и странно, если бы это было бы иначе.

FCEV 3

Читайте также:

Статьи и моделях, марках и характеристиках различных авто на водородных топливных элементах

Toyota Mirai (серия JPD10), выпуск 2014-?

Toyota Mirai (актуальная модель)