Как автомобиль работает на водороде?

1. Проблема с розеткой
2. Однако есть и другое, уже готовое решение
3. Не для водорода, просто для электричества
4. Что такое и как работает топливный элемент?
5. Долгий путь к цели
6. Что кроме ссылок?
7. Хорошо, как это заправлено?
8. Космическая техника на службе автомобилизации

Экономичный, невероятно тихий, современный и кстати - потому что почему бы и нет - экологически чистый. Было бы сложно найти человека, которому не понравилось бы такое описание автомобиля. Большинство электромобилей приходят на ум в этот момент также справедливо. Просто это не обязательно те, которые мы должны зарядить от розетки перед поездкой.

В данный момент, похоже, никто не сомневается в том, что будущее моторизации на базе электродвигателей - это не только видение футуристов, но и то, что нас ожидает в ближайшие годы. За прошедшие годы «запущенные» автомобили перестали быть просто игрушками для самых богатых и стали инструментом для повседневной работы многих людей.

Практически ни один из крупнейших автопроизводителей больше не скрывает планов, связанных с электрификацией своего предложения. Через несколько десятков лет мы сможем отправиться в любой салон и оставить его на автомобиле, который больше не требует бензина или масла для работы.

Что не означает, что видение того, как электромобиль будет работать в будущем, уже полностью разработано.

Проблема с розеткой

На данный момент подавляющее большинство производителей, когда речь идет о полностью электрических автомобилях, предлагает наиболее очевидное и простое решение. Такие машины заряжаются от розетки, как правило, с помощью обычных зарядных устройств или так называемых нагнетатели, которые резко сокращают время, необходимое для зарядки автомобильных аккумуляторов.

И здесь возникает основная проблема такого решения. Хотя диапазон «электриков», заряжаемых от розетки, не является большой проблемой, время, необходимое для их зарядки, вряд ли считается приемлемым. Особенно, если сравнить его со временем, которое требуется для заправки бака в обычной машине.

Например, в случае с Tesla и ее уже известными нагнетателями, поскольку не стоит упоминать о регулярной зарядке, за 30 минут на станции мы можем увеличить дальность действия нашего автомобиля чуть более чем на 270 км. 30 минут! Кто вообразит, куда ехать, с обязательной остановкой на полчаса, что такое расстояние?

Тем более что новые решения, для того чтобы их можно было принять повсеместно, не могут просто отличаться или лишь частично быть лучше, чем их нынешние. Они должны быть революционными. И хотя электромобили, загруженные из розетки, тише, приятнее во время езды и более «зеленые», они могут занять на станции в десять раз больше времени, чем их коллеги по горению.

Кроме того, необходимо оснастить автомобиль большим количеством аккумуляторов, если мы хотим говорить о каком-либо разумном диапазоне вообще. И, в дополнение к следующим батареям, увеличивается вес автомобиля, что означает больше энергии и меньше удовольствия от вождения.

Хуже всего то, что у нас нет гарантии, что эти проблемы в случае с «птенцами» когда-нибудь будут полностью устранены.

Однако есть и другое, уже готовое решение

И это тот, который сочетает в себе все преимущества электромобилей, одновременно устраняя их недостатки. Главным образом потому, что ... мы все еще говорим об электромобиле, но приводим его в действие совершенно иначе - от нашей частной водородной электростанции, расположенной на автомобиле.

Все, что вам нужно сделать, это взглянуть на самые основные данные, чтобы увидеть, как этот тип источника питания уже опережает популярные стандартные батареи. Покрытие? До 550-700 км. Время «дозаправки»? Около 3 минут. Количество выбрасываемых загрязняющих веществ? Ничего. Единственный ненужный продукт для производства электроэнергии - это вода здесь. Те, кто заботится об окружающей среде даром, пусть вспомнят приятные моменты, проведенные в пробке за шатким дизелем. Вам определенно не обязательно принадлежать к группе людей, которые приковывают деревья цепями, чтобы ценить электромобили.

Похоже на идеальное видение, которое, безусловно, использует космические технологии для действия? Ну, это отчасти так, и именно поэтому определенно стоит посмотреть, как работает вся волшебная идея автомобиля с частной водородной электростанцией.

Не для водорода, просто для электричества

В самом начале стоит уточнить одну вещь - не следует путать две категории автомобилей, использующих водород, хотя в упрощенном виде транспортные средства обеих категорий движутся через это топливо.

В первом случае в автомобилях, таких как BMW 7 серии (E68), просто используется классический двигатель внутреннего сгорания, адаптированный к сжиганию водорода. Надо признать, что в упомянутой машине «водород» был довольно символичным - в баллоне со сжатым водородом было меньше 10 литров, поэтому он не давал слишком много. После использования этих скромных запасов немецкий лимузин уже переходил на бензин.

Однако это решение имеет множество недостатков и никогда не становилось популярным. Также нет никаких причин когда-либо охватывать более широкий круг клиентов.

Так что же осталось? Топливные элементы

Что такое и как работает топливный элемент?

Короче говоря, это наша небольшая мобильная электростанция, в которой создается электричество, необходимое для движения автомобиля. Но как именно это работает?

В основном, топливный элемент состоит из трех основных элементов - отрицательного электрода (анода) и положительного (катодного) электрода и электролита, помещенного между ними ( в случае Тойота Мирай - полимерная мембрана).

Водород подается в первый из резервуара с последующим его расщеплением (окислением) на протоны и электроны. Первые попадают в катод через электролит, а вторые - через внешнюю электрическую цепь. Именно отсюда (но не напрямую) ток течет к электродвигателю и к дополнительной батарее.

Что происходит с протонами? К катоду, который проникает посредством диффузии через электролит, кислород также подается с помощью специального компрессора (то есть просто воздуха, взятого из окружающей среды автомобиля). На катоде он уменьшается, что, в свою очередь, позволяет реакции с катионами водорода, в результате чего ... вода, которая в виде пара покидает нашу машину через выхлопную систему.

И короче? Короче говоря, мы доставляем водород в элемент из бака, кислород через компрессор, и в результате мы получаем ток для двигателя и аккумулятора. Единственный побочный продукт - чистая вода.

Вы не можете забыть о чем-то еще - плотности энергии и фитнеса. В случае топливных элементов результаты намного лучше, чем в случае батарей, используемых в настоящее время в электромобилях. Это означает, что этот обязательный багаж мы должны брать с собой намного, гораздо меньше - весь комплект топливных элементов в Toyota Mirai имеет массу всего 56 кг и объем 37 дм3, а также емкости для сжатого водорода объемом около 120 л (60 л в баке спереди и 62,4 л в кузове).

Целое, благодаря своим небольшим размерам, может быть развернуто без проблем в транспортном средстве, чтобы они не ограничивали пространство внутри кабины или грузового пространства.

Из любопытства стоит добавить, что топливные элементы долгое время использовались не только в автомобильной промышленности. Такие системы в различных вариантах можно найти как в энергетике, так и в космической промышленности. В августе прошлого года британцы также создали прототипную версию iPhone 6, которая, оснащенная классической батареей и топливным элементом, могла выдерживать без зарядки в течение недели.

Долгий путь к цели

Таким образом, хотя сама идея топливных элементов, где водород играет роль «энергоносителя», не нова, потребовались годы, чтобы разработать соответствующие технологии, особенно для нужд автомобильного рынка. Эффекты, полученные даже недавно, показывают, как много можно сделать в этом вопросе.

Например, вышеупомянутая плотность энергии более чем в два раза выше, чем в концептуальной модели FCV. В два раза выше!

Концепция Toyota FCV

Эта проблема была также связана с единственным побочным продуктом всего процесса, то есть водой, которая осаждалась на электродах, снижая их эффективность, препятствуя подаче кислорода. Новая конструкция проходов с низким расходом, однако, разрешила это неудобство.

Относительно концептуальной модели было внесено огромное количество поправок. Среди них был мин. более тонкий диффузионный слой (более высокая интенсивность диффузии газа), более тонкая электролитическая мембрана (более высокая протонная проводимость) или катализатор с почти в два раза большей активностью. Внешняя система увлажнения также была исключена, что привело к падению веса ячейки на 13 кг.

Вот так выглядят водородные баллоны снаружи

И все это только самые важные изменения, которые появились только через пять лет после выпуска прототипа.

Что кроме ссылок?

Сами ссылки не уйдут далеко - вся система намного сложнее и состоит в основном из шести элементов (пять, если не считать ссылок).

Конечно, водород должен быть введен в сами клетки, которые должны храниться где-то раньше. Эта задача решается в случае с Toyota Mirai двумя танками, размещенными спереди и сзади автомобиля. Однако, если кто-то считает, что это самые обычные танки в мире, он ошибается.

Водород в них сжимается до 70 МПа, что требует принятия соответствующих мер безопасности. Таким образом, мы имеем дело с резервуарами с трехслойными стенками - внутренними, пластиковыми, центральными, композитными, армированными углеродным волокном, и внешними, композитными, армированными стекловолокном. Первый отвечает за герметичность резервуара, второй - за устойчивость к высокому давлению, а третий - за устойчивость к механическим повреждениям.

Как только мы доставим водород к топливным элементам и начнем производить электричество, следующим элементом головоломки является теоретический регулятор мощности. Теоретически, поскольку на этом пути также имеется преобразователь напряжения, который повышает напряжение от элементов до 650 В. В результате можно использовать меньше топливных элементов.

Интересно, что повышение напряжения также позволит сделать что-то еще - использование Toyota компонентов, которые ранее использовались в гибридных автомобилях с HSD-приводом, производимых этой компанией. Таким образом, и электродвигатель, и регулятор мощности, и аккумулятор не являются полными новинками, а только проверенными решениями.

Часть электричества от топливных элементов идет к батарее NiMH. Он поддерживает клетки во время ускорения и накапливает энергию, которая может быть получена во время торможения.

Остальное идет на контроллер мощности, который управляет источником питания двигателя и аккумулятора и отвечает за восстановление энергии при торможении.

В конце всей системы, конечно, есть электродвигатель. При этом, при мощности 154 л.с. и крутящем моменте 335 Нм, позволяя разогнаться до 178 км / ч.

Хорошо, как это заправлено?

Заправка сжатым водородом - это не то, что каждый может делать каждый день или раз в несколько дней. Однако, вопреки внешнему виду, весь процесс не отличается от заправки бензином или маслом. Ба, об этом даже позаботились еще безопаснее. Таким образом, вы можете поменять свой автомобиль на топливные элементы на ночь и не чувствовать никакой разницы.

Все выглядит очень похоже на классическую заправку. Итак, у нас есть распределитель, у нас есть правильный дозатор, а в конце есть специальная насадка. Основное отличие состоит в том, что если стандартный «пистолет» вставляется в отверстие, обнаруженное после отвинчивания заглушки, то в пробке Mirai есть специальный разъем, на который мы «набижаем» дозатор.

На конце форсунки также есть замок, который предотвратит заправку, если она не закрыта должным образом. Давление и скорость накачки также контролируются, и если мы забудем отключить дозатор, просто ... мы не запустим машину. Поэтому вероятность случайного сбоя практически равна нулю - будь то аппаратный дефект или невнимательность пользователя.

И именно проблемы безопасности являются потенциально самой большой угрозой для успеха всего проекта транспортных средств на топливных элементах.

Космическая техника на службе автомобилизации

На данный момент трудно спорить с двумя вещами. Прежде всего, вам не нужно верить или верить в автомобили, приводимые в движение электродвигателями - вы просто должны принять большие перемены, которые грядут.

Во-вторых, трудно не создать впечатление, что автомобили, работающие от аккумуляторов и заряжаемые от розетки - по крайней мере, в текущих и заявленных формах - не обязательно идеально вписываются в видение будущего мира, где все должно быть проще и лучше, чем сейчас. Вполне возможно, что однажды произойдет прорыв, и огромный набор батарей, помещенных в автомобиль, сможет заряжаться, как только мы заправимся с помощью двигателя внутреннего сгорания. Также возможно, что такой момент никогда не наступит, и будет удобно заряжать такие автомобили только ночью, в нашем домашнем гараже.

Поэтому меня не удивляют те, кто видит будущее в водороде, по крайней мере, ближайшее. Особенно если учесть, что это решение уже сильно опережает по сравнению с аккумуляторами. А инфраструктура? Ну, в обоих случаях его все равно нужно правильно построить с нуля.

* Графика: Shutterstock