Вообще говоря, технология риформинга бензина требует квалифицированной и тщательной подборки всех компонентов в компактную, легкую, экономичную установку с низкой стоимостью. Компания Modine Manufacturing (Racine, WI) имеет эксклюзивное соглашение по поставке теплообменных компонентов для установок с топливными элементами. Необходимо собрать вместе различные генерирующие и использующие тепло подсистемы так, чтобы теплота транспортировалась туда, где она необходима. В настоящее время выполняется подбор оптимальных материалов с точки зрения надежности и стоимости. Технология топливных элементов для автомобилей находится на стадии интенсивного развития, когда достижения многих дисциплин, таких как конструирование, химия, теплопередача, специальные производства и других, должны быть собраны и оптимизированы в новом решении. Согласно упомянутому соглашению, фирма Modine, используя свои знания и опыт в решении проблем теплопередающего оборудования, сотрудничая с XCELLSiS и ее партнерами, должна привести установки с топливными элементами к рынку. Компания также намеревается выпускать радиаторы и другие теплообменные устройства для производимых XCELLSiS автомобильных топливных элементов .
Следующим главным вопросом, которым необходимо решить при создании систем риформирга углеводородного топлива, является определение места химического преобразования топлива: на борту автомобиля или на заправочных станциях. Решение вопроса зависит от того, будет ли совершен прорыв в технологии хранения водорода. Типовой стационарный риформер топлива может работать с высокой эффективностью (около 90%) при установившемся режиме, в то время как бортовая установка должна работать в условиях переменных нагрузок, приводящих к снижению эффективности (80-85%). Бортовой риформинг топлива, кроме того, создает проблемы с расположением компонентов силовой установки на борту автомобиля, приводит к излишней массой и усложнению системы управления.
Многие аналитические обозреватели автомобильной промышленности отмечают общее отношение нефтяных компаний к выбору топлива для автомобилей как удивительно открытую. Нефтяные компании вложили изрядное количество ресурсов в этом направлении, но все это напоминает классическую проблему «курица-яйцо», т.е., что должно быть сначала: топливо или установка с топливными элементами. В дополнение можно сказать, что для различных регионов земного шара могут быть целесообразными различные топлива. Хотя нефтяная индустрия представляется как большой, громоздкий, монолитный гигант, который поступает так, как он желает, при ближайшем рассмотрении она есть собрание многих личностей, которые должны подчиняться прежде всего условиям рынка, а уж затем каким-то другим соображениям. Это делает большие инвестиции, которые необходимы, более трудными для реализации.
Баланс оборудования
Автомобильные инженеры будут утверждать, что значительно больше усилий вкладывается в разработку автомобилей на топливных элементах, чем в разработку топливных батарей и топлив для них. Так называемый «баланс оборудования», хотя о нем мало говорится, возникает как важный момент в создании нового поколения автомобилей (с топливными элементами). Для обеспечения работы топливного элемента требуется определенное число достаточно сложных устройств, и затраты энергии на их функционирование следует минимизировать. Перечислим некоторые положения технологии «баланса оборудования» :
- большинство установок с топливными элементами требуют сжатия воздуха для увеличения количества кислорода, подаваемого в ячейку топливного элемента для обеспечения реакции, поэтому в установке необходим эффективный компрессор;
- поскольку воздух при сжатии нагревается, для уменьшении его температуры требуется промежуточный охладитель воздуха;
- установка должна содержать фильтры, обеспечивающие содержание примесей в потоках воздуха, водорода и воды в количествах, обеспечивающих нормальную работу приборов в системе рециркуляции этих потоков;
- необходимы увлажнители, поддерживающие влажность потоков газов в пределах, предотвращающих высыхание протонно-обменной мембраны. В автомобилях с топливным процессором влагу создает водяной пар ( вторичный продукт термореактора-риформера), тогда как в автомобиле с запасом водорода на борту воду для увлажнителя можно взять с выпуска топливного элемента, направив ее с выпуска в резервуар увлажнителя, реализовав самообеспечение водой;
- выпускной поток топливного проходит через расширительное устройство для уменьшения затрат на привод компрессора;
- наконец, в установке используются различные устройства, преобразующие энергию для обеспечения ею некоторых химических процессов в топливном процессоре.
Так же как в электромобиле с химическими аккумуляторными батареями, энергия батареи топливных элементов должна быть распределена по потребителям энергии автомобиля – на привод и преобразована в энергию соответствующего напряжения для обеспечения работы вспомогательных электронных и электрических систем. Обычно автомобили с топливными элементами используют такие же системы электронного управления, датчики, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи, как и автомобили с двигателями внутреннего сгорания, хотя алгоритмы микропроцессорного управления другие. Управление трансмиссией почти такое же, как и в электромобилях на аккумуляторных батареях, однако система управления состоит из двух подсистем: подсистема управления величиной крутящего момента трансмиссии и подсистема управления мощностью батареи топливных элементов.
Переразмеривание радиаторов
Другой редко упоминаемой, но важной проблемой, связанной с разработкой силовых установок на топливных элементах, является проблема теплорассеивающих систем . Поскольку энергоустановка с топливными элементами отличается от своих конкурентов – ДВС, их радиаторы также другие. В частности, они значительно больше по своим размерам, поэтому предпринимаются попытки поиска инновационных путей излучения теплоты, которое требуется для установок с топливными элементами.Протонно-обменные топливные элементы работают при температуре около 80 градусов Цельсия, так как именно эта температура нужна для протекания реакций, но в действительности чаще получается температура 120 град. С, как и в ДВС, поскольку трудно осуществить сброс низкотемпературного тепла, особенно в случае повышенной температуры окружающей среды. Это действительно одна из больших технических проблем. Топливные элементы требуют очень больших радиаторов, которые затрудняют компоновку автомобильных систем и дизайн автомобиля, так как требуются большие отверстия для подвода воздуха к радиаторам, что увеличивает коэффициент лобового сопротивления автомобиля. Эта проблема легче решается для американских автомобилей, отличающихся большими размерами. Дополнительно следует отметить, что автомобиль с силовой установкой с топливными элементами требует две системы охлаждения: одну для охлаждения электроники и электромотора, а вторую – для охлаждения батареи топливных элементов, что делает систему охлаждения чрезвычайно сложной.
Топливные элементы обладают весьма интересными и специфическими процессами теплопередачи, отличающимися от процессов теплообмена в ДВС. В ДВС две трети сбросового тепла уходит с выпускными газами, треть рассеивается радиатором. В энергоустановках на топливных элементах около 80% теплоты сбрасывается через радиатор, который должен иметь соответствующие размеры для обеспечения рассеивания большого количества теплоты при повышенных температурах окружающей среды. Нужно иметь большую теплорассеивающую поверхность для сброса теплоты низкотемпературного уровня , особенно при нагретом оборудовании автомобиля. Поскольку радиатор становится большим, конструкторам остается разделить сбрасываемую теплоту на части и организовать автономные системы охлаждения, которые можно компоновать по отдельности. Кроме того, теплоту необходимо сбрасывать от различных источников при разных температурных уровнях, что приводит к различной эффективности теплообменных устройств. Специалисты по теплопередаче сталкиваются с новыми проблемами в создании систем охлаждения для автомобилей с топливными элементами, что требует новых подходов в их решении.
Еще одной проблемой является совместимость материалов. Очень важным для топливных элементов является контроль цепей проводимости. Топливные элементы требуют отсутствия ионизируемых материалов в полостях, поэтому необходимо использовать деионизированную воду и специальные охлаждающие жидкости. В некоторых охлаждающих контурах используют деионизированные покрытия. К сожалению, некоторые такие жидкости способствуют быстрой коррозии компонентов оборудования. Поэтому General Motors, например, уходит от деионизированной воды, которая легко замерзает, и заменяет ее непроводящими охлаждающими жидкости, оказывающими меньшее коррозионное воздействие на оборудование. Ожидают, что инженеры вынуждены будут в системах охлаждения использовать нержавеющие стали, некоторые сплавы алюминия и изолирующие полимеры.