Новые транспортные двигатели (стр. 6 из 8)
Топливный элемент, работающий на водороде, - одна из ключевых деталей в новом автомобиле. Топливный элемент, или электрохимический генератор, преобразует химическую энергию в электрическую. То же самое происходит в электрических аккумуляторах, но в топливных элементах есть два важных отличия: 1) они работают до тех пор, пока поступает топливо; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, то есть топливный элемент не нужно перезаряжать.
Топливная батарея состоит из многих десятков элементарных ячеек, каждая примерно в сантиметр толщиной. Только так можно получить необходимые силу тока и напряжение. Каждая ячейка состоит из двух электродов, разделённых электролитом. На один электрод (анод) подводится топливо (водород), на другой (катод) – окислитель (кислород воздуха), (см. рис. 8). Необходима также система удаления продуктов реакции (воды) и отработанного воздуха. Для ускорения химической реакции поверхность электродов покрывают катализатором. Катод и анод разделены электролитом (им может быть полимер или раствор), который пропускает ионы и не пропускает электроны. На аноде водород распадается на электроны и протоны. Последние проходят через электролит и достигают катода, где соединяются с кислородом – образуется вода. Электроны движутся к внешней части ячейки, где попадают в электрический контур, куда можно подсоединять нагрузку.
Существует много разных топливных элементов, в основном они различаются типом электролита и рабочей температурой. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения. Элементы на водородном топливе. В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком авлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами. Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами. В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.
Элементы на углеводородном и угольном топливах. Топливные элементы, которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом интенсивного исследования. Однако пока не достигнуто заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре.
Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в пористую керамическую матрицу. Топливо «расщепляется» внутри элемента с образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание токообразующей реакции в элементе. Элементы, работающие на других видах топлива. В принципе реакции в топливных элементах не обязательно должны быть реакциями окисления обычных топлив. В перспективе могут быть найдены и другие химические реакции, которые позволят осуществить эффективное непосредственное получение электричества. В некоторых устройствах электроэнергия получается при окислении, например, цинка, натрия или магния, из которых изготавливаются расходуемые электроды.
Превращение энергии обычных топлив (угля, нефти, природного газа) в электричество было до сих пор многоступенчатым процессом. Сжигание топлива, позволяющее получить пар или газ, необходимые для работы турбины или двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор, – процесс не очень эффективный. Действительно, коэффициент использования энергии такого превращения ограничен по второму закону термодинамики, и его вряд ли можно существенно поднять выше существующего уровня. Коэффициент использования энергии топлива самых современных паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40–45%. назад дальше Самый перспективный топливный элемент, который предполагается использовать в новых автомобилях, - это элемент с твёрдой ионообменной мембраной (proton exchange membrane fuelcell, или сокращённо РЕМFC). Твёрдый электролит имеет множество преимуществ: его не растворяет образующаяся при работе элемента вода, его просто делать в промышленном масштабе. Более того, элемент на твёрдом электролите работает при относительно низких температурах (80єС) и соответственно не требует предварительного прогрева. С другой стороны, и КПД при таких температурах меньше, чем при повышенных.
Самая большая проблема с топливным элементом – его цена. Когда – то она была высокой в основном из – за платины (катализатора), покрывающей электроды. За последние двадцать лет её количество, необходимое для топливного элемента, уменьшилось в 100 раз, и учёные хотят сократить её ещё в два раза. Теперь самая дорогая часть – это электролит, мембрана «Nafion», Сейчас она стоит около 700 евро/мі, а на батарею для среднего автомобиля (объём 90 л и вес 60 кг – даёт примерно 60 кВт) нужно десятки квадратных метров такого полимера. Естественно, учёные пытаются всеми способами удешевить этот материал и заставить его работать при более высоких температурах (150 - 200єС).
У нас во многих институтах занимаются фундаментальными исследованиями, которые могли бы стать основой отечественного компактного топливного элемента.
В общем, топливный элемент на водороде вполне готов к применению. Остались мелочи – сделать его поменьше и подешевле.
4.2.Применение чистого водорода.
Приемлемые объёмно – массовые показатели системы хранения водорода на автомобиле в чистом виде обеспечиваются только при его сжижении, т.е. в криогенной схеме. Это положение наглядно иллюстрируется показанными в табл. 7 данными по различным топливным системам, приведенным к энергетическому эквиваленту, обеспечивающему пробег 418 км [ ].
Использование водорода в газообразном виде отличается простотой, однако получило ограниченное применение из – за небольшого энергозапаса и существенного увеличения массы и объёма топливного бака.
Рис.8. Схема топливного элемента.
Классическим примером подобной схемы может служить экспериментальный автомобиль УКЛА (UCLA, США), работающий на сжатом водороде. Автомобиль УКЛА, предназначенный специально для городских условий, создан на базе модели «Форд Босс» (FordBoss) 1971г. с двигателем V-8 объёмом 5,75 л [ ]. Мероприятия по модификации двигателя включают снижение степени сжатия с 11,7 до 8,9, установку ограничителя температуры топливной смеси (71єС) и изменение фаз газораспределения. Для предотвращения обратных вспышек водорода, снижения жёсткости его сгорания и уменьшения эмиссии NOx использовалась частичная балластировка топливной смеси с помощью 25%-ной рециркуляции ОГ.
Таблица 7.
Объёмно – массовые характеристики различных систем хранения водорода на автомобиле.
| Показатель | Бензин | Сжатыйводород | Жидкийводород | Гидрид(MgH2) |
| Масса топлива, кгОбъём топлива, міМасса бака, кгОбъём бака, міОбщая масса топливнойсистемы, кг | 53,50,0713,060,0867 | 13,41,013611,531374 | 13,40,191810,28195 | 1810,2345,40,25227 |
Водород хранится в двух баллонах, размещаемых за передними сиденьями. В каждом баллоне массой 136 кг находится 1,36 кг Н2 под давлением 41 МПа. Водород подаётся в двигатель двухступенчатым редуктором, снижающим давление до 30 мм вод. ст. Для повышения безопасности водород подаётся только при наличии разряжения во впускном патрубке, для чего используется электромагнитный клапан, управляемый датчиком давления. При испытаниях автомобиля по методике СVS – 1973 расход топлива составлял 1 кг Н2 на 35 км, что обеспечило полный пробег без зарядки около 100 км. В выхлопных газах отсутствуют такие компоненты, как СО, СО2 и СН, и содержится лишь примерно 0,205 г/км NOx, что ниже Федерального стандарта США 1976 г.