Ученые и эксперты считают, что электромобили — это лишь переходный этап, а в ближайшем будущем водородные авто заменят электромобили так как они имеют гораздо больше технических преимуществ и главное — более экологичные.
Для выработки электроэнергии в гибридных автомобилях вместо двигателя внутреннего сгорания могут применяться топливные элементы. С точки зрения принципа преобразования энергии в топливном элементе протекает процесс получения электрической энергии из химической энергии, схожий с процессом в двигателе внутреннего сгорания. Преобразование энергии из «топлива» в эффективную мощность у топливных элементов протекает с гораздо меньшим количеством промежуточных этапов, напрямую. По этой причине КПД топливного элемента выше, чем КПД двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, топливный элемент можно рассматривать как двигатель.
В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия, содержащаяся в молекулах топлива, путём сжигания преобразуется в энергию движения. Эта энергия затем используется для привода коробки передач или генератора. У двигателя внутреннего сгорания много энергии теряется из-за трения и рассеивания тепловой энергии. В топливном элементе происходит это преобразование химической энергии в электрическую энергию.
В отличие от двигателя внутреннего сгорания дополнительного генератора для выработки электрической энергии не требуется. В качестве топлива используется полученный промышленным способом водород, который в топливном элементе превращается в воду при взаимодействии с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе. Сам водород содержит меньше энергии, чем содержащаяся в топливе энергия углеводородов, однако его проще сжигать, а потери в процессе преобразования энергии практически отсутствуют. Кроме того, продукты сгорания топлива или токсичные газы, как у двигателя внутреннего сгорания, отсутствуют.
Основные компоненты гибридного автомобиля с водородно-кислородными топливными элементами показан на рис. 11.25.
Водородно-кислородный топливный элемент представляет собой особую форму гальванического элемента. Его основными частями являются два электрода 1 (рис. 11.26), например, углеродные нанотрубки, покрытые слоем платины в качестве катализатора и специальная мембрана 2. В качестве электролита могут служить различные соединения. Специальная мембрана газонепроницаемая, не проводит электроны и проницаема для протонов (ядро водорода без электрона). Кислород (O2) поступает из атмосферного воздуха, и заправлять его отдельно не требуется.
Если представить схематически, то со стороны анода из специального баллона в систему подается водород, а со стороны катода — уже кислород. Их встреча вызывает химическую реакцию, в процессе которой протоны свободно уходят через полимерную мембрану, а электроны — задерживаются, создавая напряжение. Так возникает электричество, которое далее по цепи идет на электродвигатель, приводящий автомобиль в движение.
Водород (H2) и кислород (O2) по отдельности направляются к обоим электродам: водород к аноду (A), а кислород к катоду (K). Под действием катализатора водород отдаёт два электрона и распадается на два положительно заряженных ядра водорода (протоны). Эти протоны могут преодолеть мембрану и мигрируют сквозь нее, поскольку на другой стороне мембраны (стороне катода) в электролите содержится меньше протонов, чем на стороне анода (явление диффузии). На своём электроде кислород захватывает электроны в ходе каталитической реакции и после этого немедленно реагирует со свободными протонами водорода, образуя воду (H2O).
Если соединить анод и катод друг с другом токопроводящим проводом, то вследствие этой реакции будет течь ток.
Таким образом, из реакции преобразования водорода в воду в топливном элементе добывается электрическая энергия, которая используется для зарядки аккумуляторной батареи и питания потребителей электроэнергии гибридного автомобиля.
Преобразование химической энергии, содержащейся в водороде, в электричество и воду сопровождается выделением тепла. По этой причине топливные элементы подключаются к системе охлаждения — аналогично автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Кроме того, электролитическая мембрана в топливном элементе по принципу работы должна постоянно смачиваться во время подачи водорода и кислорода. Для этого используется часть воды, образующейся как побочный продукт реакции, протекающей в клетке.
1 – катодный электрод; 2 – мембрана; 3 – анодный электрод
Электроэнергия высокого напряжения, вырабатываемая блоком топливных элементов, направляется непосредственно на электродвигатель. Часть этой энергии может поступать в высоковольтную батарею, когда это необходимо. Распределение потоков электрической энергии в транспортном средстве и регулирование тока осуществляется электронной системой электрического управления, содержащей, в том числе, инвертор и DC/DC преобразователь. Энергия, запасенная в высоковольтной батарее, позволяет покрыть потребность в электроэнергии во время запуска, разгона и вождение на высоких скоростях, дополняя электроэнергию, вырабатываемую в топливных элементах, и вместе с ней приводя в действие электродвигатель, приводящий в движение транспортное средство. При торможении двигателем и использовании тормозов электрическая машина действует как генератор. Как в гибридных и электрических транспортных средствах, так и в транспортных средствах на топливных элементах регенерируемая электроэнергия используется для зарядки высоковольтной батареи для увеличения запаса хода. Еще одно сходство в конструкции состоит в том, что для передачи привода от электрической машины к колесам обычно достаточно одноступенчатой передачи.
Мощность транспортных средств на топливных элементах зависит от мощности электродвигателя в киловаттах или мощности топливного элемента, которая также указывается производителями транспортных средств в киловаттах. Например, автомобили Honda FCX Clarity и Hyundai ix35 Fuel Cell, оснащенные двигателем мощностью 100 кВт и одноступенчатой трансмиссией, могут развивать скорость до 160 км/ч. Оба автомобиля оснащены топливными элементами мощностью 100 кВт. Объем водородного бака (или баков), размещенного в автомобиле, имеет решающее значение для запаса хода. Водород хранится под высоким давлением. Например, два бака Hyundai вместе вмещают 5,64 кг водорода при давлении 70 МПа, что дает номинальную дальность движения около 600 км.
Водородные автомобили имеют могут стабильно работать при -6° С. В экспериментальных условиях некоторые модели автомашины на водороде работают и при -25° С.
Наполнение баллонов автомобиля водородом занимает 3 — 5 минут.
Меры по обеспечению безопасного использования водорода. Водород очень взрывоопасный газ. Водород не только не имеет запаха и является газообразным в несжатом виде, он также легче воздуха и, следовательно, очень летуч. Однако, даже если водород выходит из системы подачи или бака транспортного средства, взрыв маловероятен. Благодаря высокой летучести практически исключено образование взрывоопасной смеси; водород в чистом виде не взрывается. Это может произойти только тогда, когда он образует смесь с кислородом определенной, достаточной концентрации.
Несмотря на низкую вероятность взрыва, конструкторы принимают соответствующие меры безопасности. Помимо использования специального пластикового бака (рис. 11.27), отвечающего высоким требованиям ударопрочности и препятствующего диффузии водорода через стенки, в транспортном средстве также установлены соответствующие датчики.
Если они обнаруживают утечку водорода, предохранительный клапан на баке закрывается. Водород больше не поступает в линии подачи топливных элементов. Кроме того, на борту может быть система вентиляции, которая активируется при обнаружении утечки водорода, чтобы вытолкнуть образовавшееся водородное «облако» из транспортного средства. Предохранительный клапан, расположенный на баке с водородом, закрывается в случае столкновения при ДТП. С другой стороны, в случае слишком высокого давления водорода внутри бака клапан резко снизит его. Однако для предотвращения возврата или расширения водорода при заправке заправочный штуцер снабжен специальным односторонним клапаном.
Преимущества и недостатки привода на топливных элементах. Главным преимуществом автомобилей, использующих водородное топливо является отсутствие выбросов токсичных веществ. Благодаря соответствующему объему бака и плотности энергии водорода автомобили на топливных элементах имеют запас хода в несколько сотен километров. По сравнению с чисто электрическими транспортными средствами их преимуществом является меньшее время, необходимое для заправки. По сравнению с длительной зарядкой аккумулятора заполнение бака водородом занимает всего несколько минут.
Недостатками силовой установки транспортных средств на топливных элементах являются высокая стоимость батареи топливных элементов и их короткий срок службы. Кроме того, для этих автомобилей сложно обеспечить соответствующую инфраструктуру, т.е. построить сеть общедоступных водородных заправок. Кроме того, производство водорода связано с потреблением очень большого количества энергии, поэтому автомобили на топливных элементах фактически полностью безвредны для окружающей среды только тогда, когда водород получен с использованием возобновляемых источников энергии. В общем энергетическом балансе автомобили на топливных элементах оказываются сопоставимыми с другими типами двигателей.