Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Что такое топливные элементы и их применение в автомобилестроении

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Сэр Уильям Грове знал очень много об электролизе, поэтому он в свое время выдвинул такую гипотезу, а именно, что путем процесса, который расщепляет воду на составляющие водород и кислород методом проведения электричества через нее, он может производить (вырабатывать) электричество, если провести его в обратном порядке. После расчётов сделанных на бумаге он подошел к экспериментальной стадии процесса, где сумел доказать правильность своей идеи. Эту доказанную гипотезу далее развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, которые усовершенствовали технологию Грове и в далеком 1889 году дали ей конкретное название, в которое вошли два определенных слова, название которых означает и звучит как - "топливный элемент".

 

Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход всех автомобилистов. Вы безусловно друзья слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору и в прессе все чаще мелькают новомодные и неизвестные иногда нам слова. Обычно эти новомодные словечки относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или к программам развития этих гибридных автомобилей.

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Например, еще 11 лет назад в США была запущена такая программа, как "The Hydrogen Fuel Initiative". Она была направлена ​​на разработку водородных топливных элементов и технологий данной инфраструктуры, которые были нужны для того, чтобы сделать автотранспортные средства, использующие топливные элементы, практичными, экономически продуманными и рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на эту программу было выделено более 1 млрд. долларов США, что говорит о серьезной ставке на программу, которую сделали и создали власти Соединенных Штатов и которая была направлена на развитие экологически дружелюбных технологий.

 

По другую сторону океана автопроизводители тоже не дремали, они продолжали проводить свои изыскания по теме машин с топливными элементами. Например, компании "Honda", "Toyota", "Mercedes-Benz" и даже "Hyundai" продолжали работать над созданием надежной технологии этих топливных элементов.

 

Наибольшего успеха на данном поприще разработок среди всех мировых автопроизводителей, добились два Японских автопроизводителя, это компании "Toyota" и "Honda". Их модели машин на новых топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время как их ближайшие конкуренты тоже следует прямо близко за ними.

 

Поэтому надо признать, что топливные элементы в автомобильной индустрии - это надолго. Рассмотрим дорогие наши читатели принципы работы самой этой технологии и ее применение в современных автомобилях.

 

Принцип работы топливного элемента

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

В сущности, сам топливный элемент представляет собой небольшой двигатель без движущихся частей. С технической точки зрения определить такой топливный элемент можно с позиции, как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, то есть постоянный ток.

 

Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, ну а другие пока проходят исследовательские тесты. В большинстве из них в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования, используется водород и кислород.

 

Аналогичная процедура происходит и в обычной батарее, отличие заключается только в том, что батарея уже имеет в себе все необходимые химические вещества требуемые для преобразования электричества "на борту", в то время как сам топливный элемент может "заряжаться" от внешнего источника, благодаря чему этот процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества другим побочным продуктом данной процедуры является выделяемое им тепло.

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит в себе протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет между собой два электрода — анод и катод. Каждый из этих электродов обычно представляет из себя простую угольную пластину (матрицу) с нанесённым на нее катализатором, то есть платиной или сплавом платиноидов и др. композитов.

 

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану по направлению к катоду, но сами электроны отдаются во внешнюю цепь, так как сама мембрана не пропускает эти электроны.

 

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном который подводится из внешних коммуникаций с пришедшим протоном и преобразует ее в воду, которая является единственным продуктом полученной реакции (в виде пара и/или жидкости).

 

wikipedia.org

 

Применение в автомобилях

Из всех типов топливных элементов наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах по-видимому стали топливные элементы полученные на основе протонообменных мембран или на основе так называемых 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 для него не потребуется много времени чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе также используется еще 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 компания "Mercedes-Benz" представила прототип своего элемента MB100 созданного на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт) самым большим недостатком этой концепции являлся сам топливный элемент, который занимал весь объем грузового отсека автофургона.

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была одна из ужаснейших идей для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту фургона этого массивного резервуара, который заполнялся легковоспламеняющимся водородом под давлением.

 

В течение следующего десятилетия данная технология развивалась и одна из последних концепций созданных на топливных элементах от "Мерседес" имела 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 надо друзья забывать и про двух японцев, т.е. про компании "Toyota" и "Honda". Одним из крупнейших автомобильных игроков стала компания "Honda", которая представила свой серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи модели FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла и в саму Японию.
Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Еще дальше пошла фирма "Toyota" со своей моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по-видимому способна предоставить футуристичному автомобилю солидный диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправлен менее чем за пять минут, так же как и обычный автомобиль. Показатели расхода топлива поражают любого скептика, они просто невероятны и даже для автомобиля с классической силовой установкой, как модель Toyota Mirai, которая расходует 3,5 литра горючего независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе ли, на шоссе ли, или в смешанном цикле.

 

Прошло уже восемь лет. Компания "Honda" потратила это время с большой пользой для своего дела. Второе поколение автомобилей Honda FCX Clarity уже сейчас появляется в продаже. Ее топливные элементы (батареи) стали на 33% более компактными, чем у первой модели автомобиля, а сама ее удельная мощность увеличилась аж на 60%. "Honda" уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам может быть сравним с двигателем V6, что оставляет достаточного места для внутреннего пространства в машине пяти пассажирам и для их багажа.

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Предполагаемый диапазон прохождения составляет 500 км, а стартовая цена данной автоновинки должна закрепиться на уровне примерно $60 тыс. долларов США. Дорого скажете? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000-х годов автомобили с подобными технологиями стоили $100 тыс. долларов.

 

Смотрите также: 2016 World Car of the Year, победители и проигравшие

 

Учитывая все ограничения присущие данной технологии в автомобилях и в связи с отсутствием заправочной инфраструктуры являющейся наибольшим препятствием, такие машины на новых топливных элементах вряд ли смогут конкурировать с более традиционными автомобилями в ближайшие 15 - 20 лет, но вот в долгосрочной перспективе они однозначно смогут оказаться более жизнеспособными авто. Налоги на загрязнение и сами экологические законы становятся все более и более жесткими, а наряду с непрерывным ростом потребления ископаемого топлива это может убедить правительства разных стран и самих производителей автомобилей вкладываться в экологичную технологию еще активнее.

Оцените новость:
1.04.16 (21:41)
8 107
Источник — © 1gai.ru
Автор — Eric
Какую зарплату вы считаете достойной в 2020 году?

Новостная рассылка


Рассылка анонсов статей производится каждый понедельник