Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях
Что такое топливные элементы и их применение в автомобилестроении
Сэр Уильям Грове знал много об электролизе, поэтому он выдвинул гипотезу, что путем процесса (который расщепляет воду на составляющие водород и кислород путем проведения электричества через нее) он может производить электричество, если провести его в обратном порядке. После расчётов на бумаге, он подошел к экспериментальной стадии и сумел доказать свои идеи. Доказанную гипотезу развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, усовершенствовали технологию и еще в 1889 году дали ей название в которые входили два слова- «топливный элемент».
Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход автомобилистов. Вы безусловно слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору все чаще мелькают новомодные слова. Обычно они относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или программах развития этих гибридных автомобилей.
Например, еще 11 лет назад в США была запущена программа «The Hydrogen Fuel Initiative». Программа была направлена на разработку водородных топливных элементов и технологий инфраструктуры, необходимых для того, чтобы сделать транспортные средства использующие топливные элементы практичными и экономически продуманными, рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на программу было выделено более 1 млрд. долларов, что говорит о серьезной ставке, которую сделали власти Штатов на развитие экологически дружелюбных технологий.
По другую сторону океана производители автомобилей также не дремали, начинали или продолжали проводить свои изыскания на тему машин с топливными элементами. Honda, Toyota, Mercedes-Benz и даже Hyundai продолжал работать над созданием надежной технологии топливных элементов.
Наибольшего успеха на данном поприще среди всех мировых автопроизводителей добились две японских автопроизводителя, Toyota и Honda. Их модели на топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время их конкуренты следует прямо за ними.
Поэтому, топливные элементы в автомобильной индустрии- это надолго. Рассмотрим принципы работы технологии и ее применение в современных автомобилях.
Принцип работы топливного элемента
В сущности, топливный элемент представляет собой двигатель без движущихся частей. С технической точки зрения определить топливный элемент можно как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, постоянный ток.
Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, другие проходят исследовательские тесты. В большинстве из них используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования.
Аналогичная процедура происходит в обычной батарее, отличие только в том, что батарея уже имеет все необходимые химические вещества, требуемые для преобразования «на борту», в то время как топливный элемент может быть «заряжаться» от внешнего источника, благодаря чему процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом процедуры является выделяемое тепло.
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
wikipedia.org
Применение в автомобилях
Из всех типов топливных элементов, по- видимому наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах стали топливные элементы на основе протонообменных мембран или как их называют на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что у него не потребуется много времени для того чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе используется также одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.
Смотрите также: Виды аккумуляторов, их преимущества и слабые стороны
Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда Mercedes-Benz представил прототип MB100 созданный на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт), самый большой недостаток этой концепции заключалась в том, что топливный элемент занимал весь объем грузового отсека фургона.
Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была ужасная идея для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту массивного резервуара, заполненного легковоспламеняющимся водородом под давлением.
В течение следующего десятилетия технология развивалась и одна из последних концепций, созданных на топливных элементах от Мерседес имел выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не забывайте про двух японцев, Toyota и Honda. Одним из крупнейших автомобильных игроков стала Honda, который представил серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла в Японию.
Еще дальше пошла Toyota с моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по- видимому способна предоставить футуристичному автомобилю диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправляемого менее чем за пять минут, так же как обычный автомобиль. Показатели расхода топлива поразят любого скептика, они невероятны даже для автомобиля с классической силовой установкой Toyota Mirai расходует 3.5 литра независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе, на шоссе или в смешанном цикле.
Прошло восемь лет. Honda потратила это время с пользой для своего дела. Второе поколение Honda FCX Clarity сейчас появляется в продаже. Ее батареи топливных элементов стали на 33% более компактными, чем у первой модели, удельная мощность увеличилась на 60%. Honda уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам сравним с двигателем V6, что оставляет достаточно внутреннего пространства для пяти пассажиров и их багажа.
Предполагаемый диапазон составляет 500 км, а стартовая цена новинки должна закрепиться на уровне в $60,000. Дорого? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000 автомобили с подобными технологиями стоили $100.000.
Смотрите также: 2016 World Car of the Year, победители и проигравшие
Учитывая ограничения присущие данной технологии в автомобилях, в связи с отсутствием заправочной инфраструктуры, являющейся наибольшим препятствием, машины на топливных элементах вряд ли смогут конкурировать с более традиционными автомобилями в ближайшие 15-20 лет, но в долгосрочной перспективе, они могут оказаться более жизнеспособными. Налоги на загрязнение и экологические законы становятся все более и более жесткими, и наряду с непрерывным ростом потребления ископаемого топлива, это может убедить правительства разных стран и производителей автомобилей вкладываться в экологичную технологию еще активнее.
www.1gai.ru
Водородомобиль Toyota Mirai — первый тест — журнал За рулем
Примеряем будущее за рулем первого серийного автомобиля на топливных элементах. Футуристический седан Toyota Mirai потребляет исключительно водород. В баки моей машины его поместился ровно килограмм. До заправки трип-компьютер обещал 260 км пути, после — 330 км. Но я уверен, что смогу проехать все пятьсот!
23-Toyota-Mirai_zr-12_15
Toyota Mirai. Производство Япония. От 66 000 евро в Германии.Toyota Mirai. Производство Япония. От 66 000 евро в Германии.
Литр дизеля за один евро? В Гамбурге? Фантастика! Прекрасно помню, что год назад, когда я путешествовал на машине по Европе, солярка была ощутимо дороже. Но вот очередная АЗС — и тоже евро за литр… Просто в Германии, в отличие от России, цены на нефтепродукты оперативно переписывают вслед за ценой на нефть не только в бóльшую сторону, но и в меньшую.
Даже жаль, что ни дизель, ни бензин мне сегодня ни к чему — ведь я веду по окрестностям Гамбурга первый в мире серийный автомобиль на топливных элементах. Для заправки футуристического седана Toyota Mirai требуется исключительно водород.
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Все происходит точь-в‑точь как на обычной АЗС. Через терминал я оплачиваю необходимое количество топлива, присоединяю штекер к заправочной горловине, и в течение трех-четырех минут водород заполняет топливные баки. Это два баллона высокого давления (700 бар) из углепластика с трехслойной структурой: 60‑литровый размещен под задним сиденьем, а другой (62,4 л) — ближе к задней подвеске. Суммарная емкость — пять килограммов водорода.
03-Toyota-Mirai_zr-12_15
Toyota Mirai. Интерьер качественный, воздушный; эргономика, несмотря на экзотическую архитектуру пwww.zr.ru
Fuel Cell. Автомобили на топливных элементах
| 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
| HV Battery Pack | |
| Battery pack voltage | 274-Volts |
| NiMH battery module dimensions (inches) | 11×3/4×4 |
| 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:
2h3 + O2 → 2h3O + 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 |
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 * Описание, ТТХ, блок-схемы автомобиля TOYOTA FCHV ссылка * Водородные программы Японии и других стран мира ссылкаautodata.ru
Автомобили на топливных элементах — чистая энергия с «водяным выхлопом»
Глобальная разработка автомобилей на топливных элементах началась еще в середине 90-х годов. Причиной поиска альтернативного топлива на экологически чистых компонентах, стал энергетический кризис и начало введения новых стандартов выброса в атмосферу углекислого газа. Возможности единственного эко транспорта этого периода — электромобилей,
были крайне ограничены: малый запас хода, длительная зарядка батарей и дороговизна комплектующих подталкивали производителей к поиску других способов производства чистой энергии, которая могла бы приводить автомобили в действие.
Изначально, основным топливным элементом был выбран водород. Его химические свойства, распространенность в природе, экологичность предоставляли разработчикам большие перспективы.
Автомобили на водороде, могли бы проезжать такие же расстояния, как и машины с ДВС, иметь схожую скорость и мощность.
Сложность состояла в том, что нужно было создать соответствующий двигатель и направить энергию водорода в нужное русло.
Как функционирует двигатель на топливных элементах
Определить, кто первым изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде довольно сложно. Если говорить откровенно, то это сделал еще в начале 19 века, французский естествоиспытатель Франсуа де Риваз, который производил водород электролизом воды. Что касается современности, то автомобили на водородном топливе появились у крупных производителей практически в одно и то же время, а их базовые технические характеристики были во много одинаковы.
Принцип работы и типы двигателей на топливных водородных элементах имеют схожую с электромобилями модель работы, однако кардинально отличаются способом создания энергии приводящей двигатель и автомобиль в движение.
Схема работы автомобиля на топливных элементах
- Контроль мощности.
- Двигатель.
- Батареи.
- Водородный баллон.
- Аккумулятор.
Если описывать принцип работы двигателя на топливных элементах простым языком, то прежде всего стоит пояснить, что «приготовление» самого топлива, то есть движущей силы происходит непосредственно внутри «топливного бака», ведь создание энергии в установках на топливных элементах целиком основано на происходящих в них физико-химических процессах.
Начинается все с того, что в корпус установки помещается проводящая исключительно протоны мембранная перегородка, которая выполняет функцию разделителя анодной и катодной камер. В процессе работы происходит обмен реактивами, в анодный отсек подается водород, а в отдел с катодом кислород.
Электроды установки покрывают усиливающим реакции катализатором, зачастую им выступает платина. Взаимодействие с катализатором приводит к потере водородом своих электронов. Параллельно сквозь мембрану начинается движение протонов к катоду, которые под влиянием катализатора (платины) связуются с электронами. Результатом реакции является образование воды, а освободившиеся электроны из анодного отсека движутся по электроцепи подсоединенной к мотору, образуя энергию. То есть, физико-химическая реакция водородных элементов преобразуется в чистый электрический ток, с водой в качестве «выхлопа».
Заправка и обслуживание автомобилей на топливных элементах
Расчетной единицей водородного топлива служит килограмм. Заправка автомобилей водородом имеет три формата.
- Мобильные станции.
- Стационарные станции.
- Домашние станции.
Что интересно, практически каждая из станций может производить водород самостоятельно, к примеру, домашний тип производит топливо в любое время путем электролиза воды. Такая станция может вырабатывать до 1000 кг водорода в год, чего вполне хватает на заправку двух авто.
Заправка автомобиля водородом на станциях происходит привычным для нас образом. Весь процесс отнимает не более 3 минут.
Что касается обслуживания, то для всех доступных автомобилей на водороде оно пока производится в профильных сервисных центрах каждого бренда.
Водородный двигатель в современных реалиях
Перспективы использования двигателя на топливных элементах огромны. Во-первых, это на 100% экологически чистый вид энергии. Во-вторых, мощность, скорость и КПД двигателей идентичны современным авто с ДВС. В-третьих, полная независимость от бензина или дизеля.
Но есть и определенные недостатки. К сожалению, из-за дороговизны компонентов, прежде всего платины, автомобили этой категории в ближайшее время будут стоить немалых денег, к примеру, цена японского представителя сегмента выпущенного ограниченным тиражом Honda Clarity, стартует от $67 тысяч и это далеко не люксовый автомобиль. Немного дешевле обходится и первый серийный экокар на топливных элементах Toyota Mirai, но и он далек от массовой доступности из-за внушительного ценника в $57 тысяч.
Honda Clarity FCV и Toyota Mirai FCV
Куда радужнее перспективы водородных двигателей в сегменте общественного транспорта. Германией уже вовсю курсируют городские и туристические автобусы с двигателем на топливных элементах. А уже в этом году анонсирован запуск первого «водородного» поезда, который призван заменить старые дизельные тягачи.
Автор: hevcars.com.ua
Еще интересное пишут по теме
HEVCARS 🔌 Автор
Читайте самые интересные новости и статьи о электрокарах в Telegram и Facebook!hevcars.com.ua
Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях: engineering_ru
Недавно Toyota объявила о том, что передаёт все свои патенты, связанные с автомобилями на топливных элементах в публичное пространство, и теперь они доступны для использования совершенно бесплатно. Новость умиляет тем, что патентов набралось аж 5 680 штук, задумайтесь только, как старались корпоративные юристы, патентуя всё вплоть до округлостей на кнопках. Но дело не только в этом, ведь в прошлом году именно Tesla стала первой, кто в мире патентных троллей и бесконечных судов открыл свои патенты. К слову, их у компании, выпускающей самый известный электромобиль, было меньше трёх сотен.
элементах, который можно будет купить, а не взять в лизинг.
Но я хочу поговорить не столько об этом событии, сколько о том, почему даже появление первого автомобиля на топливных элементах, который можно купить, ничего не меняет для водородных автомобилей, и почему эта ветвь развития является абсолютно тупиковый. Илон Маск, CEO Tesla Motors, называет топливные элементы (fuel cells) «fool cells» (элементы одурачивания), аккумуляторные эксперты сходятся в том, что все в индустрии знают, что топливные элементы это ерунда, просто не все признают это, я же сосредоточусь на фактах.
Из-за падения цен на нефть стоимость галлона (3.76 литра) бензина в США упала
до $2, но даже во время дорогой нефти цена не поднималась выше $4.
1. Водород дорог.
Это просто факт. Сейчас рыночная цена на газ — $8.96 за эквивалент галлона бензина, 0.997 кг (данные за октябрь 2014 г.). Бак Toyota Mirai вмещает 5 кг водорода. Таким образом, одна заправка обошлась бы вам в $45 и её хватило на 480 км по методике тестирования EPA (данные ещё не проверены EPA, но вряд ли эта цифра окажется больше), что выливается в $9.38 за 100 км. Для сравнения, Toyota Prius проедет те же 100 км, потратив $2.76, а Tesla Model S — $2.99, если использовать ту же методику EPA и текущие средние американские цены.
Хотя существует множество оценок, предполагающих, что при больших объемах производства стоимость водорода снизится до $3 за кг (и приблизится к текущей цене на бензин), даже сама Toyota менее оптимистична в своих прогнозах: стоимость бака для Mirai снизится до $30 в будущем. Сейчас в США производится 7.31 миллионов кг ворода в день, в год около 2 600 миллионов килограмм. При среднегодовом пробеге около 21 500 км, его бы хватило для 12 миллионов автомобилей, то есть даже если бы водородных автомобилей в США продавали 10% от всех новых авто в течении 10 лет, производство лишь удвоилось, что не дало бы такого радикального снижения цены.
2. Производство водорода «грязнее» электрогенерации
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Остаётся от природного газа или углеводородов CO2, тот самый с которым все страны дружно борятся развитием альтернативной энергетики и альтернативных автомобилей. Если вспомнить, что в Европе и Азии, в отличие от США, нет своего природного газа, для того чтобы из него делать водород, то всё становится ещё печальней. Сейчас использование водорода ставит в прямую зависимость от цены на газ, что не сильно отличается от нефтяной зависимости, электричество же генерируется из десятка различных источников. Теоретически, водород можно получать электролизом, но сейчас такой газ для США будет в 3 раза дороже получаемого из метана. Более того, так как получение электричества не экологически чистый процесс, а конверсия электричества в водород, затем обратно из водорода в электричество в топливных элементах имеет низкий суммарный КПД, выбросы будут значительно выше, чем для электромобилей.
побочного продукта выделяется пресловутый CO2
Для получения одного килограмма водорода требует 52.5 кВтч на электролизере с 75% эффективностью. Таким образом, Toyota Mirai, используя водород, полученный с помощью электролиза будет тратить 54,69 кВтч на 100 км. Даже огромная, более чем 2-х тонная Model S потребляет 23.75 кВтч на 100 км, а Mirai заметно меньше и не может похвастаться разгоном до сотни за 4 секунды. Добавьте к этому транспортировку водорода, компрессию, строительство электролизеров, строительство водородных заправок и станет понятно, что даже теоретически это не путь по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.
способна заправить лишь 30 автомобилей за сутки.
3. Водородная инфраструктура очень дорога и не развита.
Одна водородная заправочная станция обходится в $2 миллиона. Калифорния уже потратила $100 миллионов на водородные заправочные станции. Высокую цену станции подтверждают и европейские источники, например только господдержка на одну станцию в Великобритании составляет £1 млн. Вы думаете, зато такая станция может обслужить сотни машин? Нет, станции рассчитаны на заправку максимум 30 автомобилей в день. С одной стороны больше и не надо, откуда там взяться хотя бы двум, но с другой стороны суперзарядка Tesla Motors на 6-12 стоек обходится компании в $100k — $150k, а более продвинутая версия с солнечными батареями на крыше и аккумуляторами на 500кВтч для сохранения солнечной энергии в «целых» $300k. Надо ли добавлять, что такая станция в действительности может обслужить больше сотни машин в день.
возможными дальние поездки на Model S по Западной Европе.
Сейчас в США 13 водородных заправочных станций. В 2015 году планируют открыть ещё пару десятков. Я думаю, не ошибусь, если скажу, что эти планы следуют за водородными автомобилями на протяжении последних 10 лет. Правда, одна лишь компания Tesla Motors, используя часть прибыли от продажи своих электромобилей без государственных грантов, за один месяц, декабрь 2014 года открыла 54 своих суперзарядки, 12 из них в США, каждая на 6-8 зарядочных стоек. За год в Европе открыто более 120 суперзарядок, такое же количество водородных станций обошлось бы в четверть миллиарда долларов.
цена не означает, что он не субсидируется производителем.
4. Водородные автомобили дороги.
Хотя Toyota Mirai будет продаваться на американском рынке за $62 000, большинство экспертов сходится во мнении, что эта цена субсидирована производителем (1, 2) Точных цифр от самой Тойоты нет, косвенно же это подтверждается высказыванием главы R&D компании о том, что автомобили на топливных элементах смогуть быть конкурентными по цене с электромобилями к 2030 году и стоимостью топливных элементов. Субсидирование производителем подтверждает и цена в $144 400 Hyundai Tucson на топливных элементах, продающийся в Южной Коррее. Но даже после такой большой субсидии со стороны производителя, покупатели не торопятся покупать автомобили на топливных ячейках.
водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.
5. Нет ни одного преимущества водородных автомобилей перед электромобилями.
Большую часть недостатков я уже перечислил. Оставлю за бортом безопасность: хотя я бы побоялся ездить на двух баллонах с водородом под днищем, производитель утверждает, что это безопасно, так давайте поверим ему. Попробуем найти хоть какие-то преимущества автомобилей на водороде перед электромобилями. Запас хода? У Toyota Mirai — 480 км, у Tesla Model S — 424 км, Tesla Roadster после обновления в следующем году сможет проехать почти 640 км, все цифры по одной и той же методике тестирования EPA, «яблоки с яблоками», что называется. А есть же ещё и плагин-гибриды, которые дают симбиоз экономичности электромобилей с возможностью движения на обычном топливе на дальние расстояния. В общем, запас хода после появление Tesla уже не аргумент.
водородные автомобили довольствуются лишь динамикой самых слабых «дизелей».
Динамика? Разгон Toyota Mirai (от $62 000 в США) около 10 секунд до сотни, электромобиль BMW i3 (от $42 000 в США) набирает ту же скорость за шесть с половиной секунд, a Model S P85D разгоняется до сотни как McLaren F1. Остаётся единственное преимущество — скорость заправки за 3 минуты. Это могло бы быть козырем, если когда-нибудь водородных заправок стало как бензиновых. До этого момента преимущество у электромобилей — постоянная зарядка дома или на работе обеспечивает полностью заряженный автомобиль без необходимости куда-то специально заезжать. А быстрая зарядка даёт возможность полностью зарядиться за время обеда с семьёй при поездках на дальние расстояни. Если же спор идёт за абсолютные цифры, быстрая замена батареи позволяет через 1,5 минуты продолжить движение с «полным баком».
в конце 2015 года, правда пока он больше похож на концепт.
Резонно возникает вопрос: а зачем тогда это всё Toyota и другим компаниям. Тут надо уточнить, что кроме японского гиганта интерес к автомобилям на топливных элементах в разное время возникал лишь у Honda, Hyundai и немцев (Audi, VW, Mercedes, BMW). Остальные автомобильные производители были к ним равнодушны. В то же время и от этих компаний всё чаще слышится снижение интереса (VW, BMW, Hyundai) к автомобилям на топливных ячейках. Итак,
водородный концепт Mercedes F 015 вообще ездит.
Зачем автомобильные компании продолжают делать водородные автомобили?
а) Диверсификация
Разработка и создание рабочего прототипа может стоить всего $1 млн. Создание концепта для автосалона ещё проще — он не обязан ездить. Для компаний с десятками миллиардов долларов оборота — это просто капля в море. А вдруг стрельнет, а вдруг именно эта технология окажется перспективной через 5 лет.
б) Сотрудничество между компаниями
Honda и BMW активно сотрудничают с Toyota и было бы в каких-то случаях не этично и не дальновидно не поддерживать её.
экологическому законодательству. В Европе об этой машине никто не слышал.
в) Соответствие экологическим требованиям
Экологические требования в развитых странах ужесточаются каждый год. Например, для Калифорнии несколько производителей выпускает электромобили только для того, чтобы соответствовать CARB-законодательству. Сейчас законодательство изменилось так, что выпустить один автомобиль на водородных топливных элементах стало выгоднее в 5 раз, чем электромобиль. Добавьте сюда поддержку установки заправочной инфраструктуры постоянными грантами и вы получите готовый рецепт существования автомобилей не нужных самим производителям.
г) Маркетинг
15 лет назад Toyota создала уникальный для того времени автомобиль, гибрид Toyota Prius. Вначале его производство было даже убыточным для компании, но позже продажи увеличились, себестоимость снижалась, и сейчас слово гибрид и экономичность для всех ассоциируется, главным образом, с Toyota. Продажи гибридных автомобилей составляют приличную долю доходов компании и спустя 15 лет стали высокомаржинальными. И тут появляются электромобили и плагин-гибриды. В этом сегменте конкуренция быстро нарастает, хотя доля продаж ещё заметно меньше, чем у обычных гибридов. В то же время доля обычных гибридов начинает падать, а электромобили и плагин-гибриды растут каждый год. При этом у Toyota нет никаких серьёзных наработок в этом сегменте.
Что надо сделать? Правильно, нужно сделать «poker face», говорить, что всё это ерунда, и дальше продавать Prius-ы миллионами.
engineering-ru.livejournal.com
Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы
Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота». Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство.
Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигательСегодня ведут исследования и другие компании, среди них:
- Honda Motor,
- Volkswagen,
- General Motors,
- Daimler AG,
- Ford Motor,
- BMW и так далее.
Как работает водородный двигатель?
Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:
- авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его с бензином. КПД такого двигателя 90–95%, тогда как дизельного — 50%, а бензинового — 35%. Такие автомобили соответствуют стандарту «Евро-4»;
- водородный автомобиль со встроенным электродвигателем, который питает основной топливный элемент, установленный на борту. Сейчас созданы авто с КПД выше 75%;
- обычные автомобили, работающие на смеси или чистом водороде. Выхлоп намного чище, а КПД «подрастёт» примерно на 20%.
Как работает водородный двигатель? Выделяют 2 типа силовых установок по принципу работы:
- водородные двигатели внутреннего сгорания. Используется роторный двигатель;
- силовые установки на топливных водородных элементах — их принцип работы построен на химической реакции. Корпус элемента имеет мембрану, проводящую только протоны и разделяющую камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подводят водород, в камеру катода подводят кислород. Электроды покрывают слоем катализатора, например, это платина. Молекулярный водород теряет электроны под воздействием катализатора. Протоны через мембрану проводятся к катоду, под воздействием катализатора в результате соединения с электронами образуется вода. Из камеры анода электроны уходят в электрическую цепь, которая подсоединена к двигателю. Так образуется ток для питания мотора.
Достоинства водородного двигателя:
- продукт горения водорода — вода. А значит, это самое экологически чистое топливо;
- мощность, приёмистость и иные показатели двигателя выше, чем у стандартного — электроэнергия обеспечивает их сполна;
- низкий уровень шума;
- простота обслуживания — не нужна сложная трансмиссия, а трущихся деталей меньше;
- низкая себестоимость эксплуатации транспорта;
- меньший расход топлива и большая скорость заправки;
- более высокий запас хода;
- водород имеет большой потенциал в качестве альтернативного вида топлива, так как он может быть получен из различных источников, в том числе солнечной энергии или ветра;
- основное сырьё — вода — бесплатное.
Недостатки водородного двигателя:
- Использование топливных элементов в обычном двигателе чревато пожаром или взрывом из-за его устройства.
- Стоимость их также весьма высока.
- Вес автомобиля увеличивается в результате использования преобразователей тока и мощных аккумуляторов.
- Процесс получения из воды водорода пока тоже недёшев, как и транспортировка нового топлива.
- Прогнозируются и экологические проблемы — увеличение в атмосфере количества водорода может пагубно сказаться на озоновом слое Земли.
- Производство аккумуляторов – также вредный для окружающей среды процесс.
- Одной из проблем транспортных средств на водороде является высокая стоимость платины, необходимой для химической реакции в двигателе.
- Отсутствие водородных заправочных станций делает водородные автомобили неконкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями.
- Не решён вопрос о хранении. На сегодняшний день предлагается хранить в сжиженном виде либо под высоким давлением, но исследования продолжаются.
Водородные топливные элементы
В разные годы водородные топливные элементы использовались:
- для тракторов,
- локомотивов,
- подводных лодок,
- вертолётов,
- в автомобиле для гольфа,
- на мотоцикле.
Для автомобилей с водородным двигателем и автобусов используются элементы на протонно-обменной мембране (PEM), они компактны и мало весят.
Авто на водороде
- Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
- Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
- Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
- Часть автобусов MAN работает на водороде.
Водородные двигатели будущего
- Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
- Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
- Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
- К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.
А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?
carextra.ru
Новый автомобиль Toyota Mirai, работающий на водороде
Технологии Представьте, что вместо того, чтобы выбрасывать вредную смесь двуокиси углерода, окиси углерода, углеводородов, бензола и различных твердых частиц, выхлопная труба Вашего автомобиля испускает только воду.
Это может звучать как научно-фантастический рассказ, но на самом деле является реальным новым автомобилем под названием Toyota Mirai, который появится на улицах уже в этом году.
Авто на водороде
В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое «японское чудо» – Мирай – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной — водороде.
Газообразный водород заправляют в бак автомобиля так же, как и бензин, а затем особый топливный элемент, производящий химическую реакцию за счет водорода и кислорода, преобразует электроэнергию, которая и является движущей силой машины. Что удивительно: единственным побочным продуктом этого процесса является вода.
Несомненно, Вы уже слышали про электромобили, которые далеко не могут уехать без подзарядки, а их максимальная скорость варьируется в пределах 70 км/ч. Однако Мирай на альтернативном виде топлива вне конкуренции.
Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км. Ультрасовременные баки из углеродного волокна заполняются примерно за десять минут.
Читайте также: Автомобиль с ядерным двигателем: 8 грамм тория на миллионы километров
При упоминании водорода в качестве топлива некоторые люди могут вспомнить о немецком дирижабле Гинденбурга, который сгорел над штатом Нью-Джерси, США в 1937 году.
Однако конструкторы Toyota Mirai заверяют, что на данном автомобиле такая ситуация сведена на «нет» благодаря пуленепробиваемым резервуарам, в которых размещены водородные топливные элементы. Поэтому у обычного бензинового бака гораздо больше шансов быть взорванным в результате ДТП.
В целом авто имеет амбиции покорить весь мир. Но компании Toyota нужно спешить, ибо в следующем году Honda, Ford и Nissan планируют выпустить на рынок автомобили с похожими технологиями.
Если бы все автомобили ездили на водороде, то воздух в наших городах был бы намного чище. К тому же всем известен факт, что нефть на планете заканчивается, а, следовательно, рано или поздно бензин будет стоить безумно дорого (хотя и сейчас это уже не дешевое удовольствие).
Получается, что если все люди пересядут на такие автомобили, то человечество может сделать шаг к избавлению от проблем, связанных с загрязнениями окружающей среды.
Недостатки автомобиля на водороде
Но, конечно же, не все так радужно, как хотелось бы. Существуют серьезные проблемы, которые могут стать камнем преткновения на пути к альтернативе бензиновых двигателей.
1. В настоящее время автомобили на водороде очень дорогие. Мирай, четырехдверный седан, должен поступить в продажу за 99 700 долларов. В то время как стоимость автомобиля с бензиновым двигателем такого же класса составляет приблизительно 30 000 долларов.
2. Следующая проблема — это заправка автомобиля будущего. Вам нужно будет найти ближайшую водородную заправочную станцию, чтобы ехать после того, как бак опустеет, а в настоящее время таких АЗС единицы в некоторых европейских странах и США, в то время как в большинстве стран водородных АЗС вообще нет. Предположительно к 2020 году количество водородных заправочных станций увеличат в разы, но и этого будет совершенно недостаточно.
3. Заправка полного бака Toyota Mirai будет стоить около 103 доллара, что примерно в два раза больше, чем заправить автомобиль на бензиновом двигателе того же класса, который проезжает те же 482 км.
Субсидии для авто на водороде
Конечно, вопросы стоимости инфраструктуры могут быть частично решены правительствами, которые в состоянии создать стимулы: предоставлять покупателям различные скидки или даже обеспечивать людей заправкой водородом бесплатно.
Это уже происходит в Японии – в стране, где беспокоятся о своей энергетической безопасности (особенно после ядерной катастрофы на Фукусиме).
Правительство Японии очень помогает населению субсидиями на покупку водородных автомобилей (сумма субсидии составляет почти 27 000 долларов) в рамках программы, для которой выделят 400 млн. долларов из государственного бюджета.
С помощью данной программы планируется помочь населению Японии закупить 6 000 частных транспортных средств, работающих на водороде.
Между тем в США комитет энергетики штата Калифорния пообещал 205 млн. долларов для обеспечения почти 70 АЗС водородным топливом к концу следующего года. В Калифорнии также выплачивают 12 000 долларов тем, кто покупает автомобили на водороде.
А вот в Великобритании такие автомобили будут стоить дороже, по той простой причине, что технологические компании, как правило, «раздувают» там цены. На туманном Альбионе люди готовы платить за такой товар традиционно больше, нежели жители других продвинутых стран.
Британское правительство, со своей стороны, пообещало 17 млн. долларов для постройки еще 15 водородных станций на Юго-Востоке страны.
Производство водорода
Еще одной проблемой таких машин является производство водорода, так как это довольно проблематичное мероприятие.
Наиболее распространенный метод называется паровой реформинг. Он заключается в том, что пар смешивается с природным газом, затем нагревается до определенной температуры с последующим добавлением катализатора, такого как никель, в результате чего получается водород и моноксид углерода (ядовитый газ). Около 95 % водорода в мире производится этим путем.
К сожалению, это не экологически чистый процесс, потому что результатом являются и побочные продукты. Таким образом, хотя сам по себе водород в автомобиле не загрязняет окружающую среду, производство данного топлива будет загрязнять наш с Вами воздух.
В результате даже защитники автомобилей на водородном топливе признаются, что производство водорода будет загрязнять окружающую среду в лучшем случае как автомобили на бензиновых двигателях, а в худшем – значительно больше.
Ученые сейчас разрабатывают «зеленые методы» производства водорода, такие как извлечение водорода из кукурузной шелухи или использование ветряных турбин для питания электролиза воды.
В настоящее время не было придумано экологически чистых и достаточно эффективных методов производства водородного топлива для каждодневной заправки миллионов автомобилей.
Конечно же, поклонники автомобилей, работающих на водородном топливе, непреклонны: они уверены, что мы должны продвигаться вперед, ибо наше будущее зависит от работы автотранспорта, который не будет причинять ущерб нашей планете.
Проблемы водородных автомобилей
Компания Toyota утверждает, что Mirai выделяет всего 100 мл воды на примерно 2 км пути. Подсчитано, что, например, в Великобритании все автомобили проезжают около 488 млрд. км в год. Это означает, что если бы каждый автомобиль был бы Toyota Mirai, то утечка от всех автомобилей составила бы 3 млрд. л воды и водяного пара каждый год.
Читайте также: Автомобили на водородном топливе – будущее становится ближе
Для сравнения: такого огромного количества воды хватило бы, чтобы заполнить около 12 000 плавательных бассейнов, предназначенных для проведения олимпийских игр.
Конечно, вода сама по себе является безобидной для нас всех субстанцией, но только не для наших дорог во время морозов. Представьте себе автомагистраль с интенсивным движением в середине зимы, и с каждого транспортного средства выливается 1 литр воды каждые 20 км. Ведь вся эта вода превратится в каток в считанные минуты. А если вода выбрасывается в виде пара, то предсказуемый результат — туман.
По сообщениям, в городе Рейкьявик, Исландия, пассажиры автобусов на водородном топливе тревожатся о количестве водяного пара, который выходит только из одного автобуса из множества.
Таким образом, хотя водородные автомобили имеют массу преимуществ (например, беззвучность и экологичность), существует много проблем с ними, которые требуют решения, иначе такие машины будут не востребованы.
Возможно, водородные топливные элементы станут успешно использоваться, например, вилочными погрузчиками, работающими в закрытых помещениях, где бензиновый или дизельный дым особенно нежелательны.
Так что еще предстоит выяснить, будем ли мы все наслаждаться водородными семейными автомобилями в следующем десятилетии или нет…
Автомобиль на воде (видео)
www.infoniac.ru