Проблемы и перспективы использования топливных элементов в автомобильной промышленности

Одно из главных препятствий, связанное с использованием водорода в автомобилях, - это возможность его хранения. Водород может храниться в виде сжатого газа, в виде криогенной жидкости или в виде гидридов металлов. Тары для газообразного водорода очень объемны; количество, которое может в них хранится, зависит от топливной эффективности и требуемой области действия (обычно емкость соответствует 300 милям или 500 км). Для того чтобы достичь лучшего сочетания между вместимостью тары для хранения, топливной эффективностью автомобиля и его областью действия, необходимы дальнейшие улучшения в дизайне машины, представления новых облегченных по весу композитных материалов или возможности сжатия водорода до давления 700 бар.

Трудность хранения водорода внутри автомобиля, так же как и отсутствие водородной инфраструктуры, заставила производителей автомобилей отказаться от их массового производства в пользу автомобилей с более удобным в применении топливом. В этом случае ТЭ должен быть интегрирован с топливным процессором, который производит водород из бензина или метанола (процесс риформинга). Однако, независимо от выбранного способа, внутренний риформинг увеличивает многочисленные инженерные проблемы:

- уменьшает общую эффективность системы двигателя, которая приводит к увеличению размера ТЭ,

- увеличивает сложность, размер, вес и стоимость системы двигателя,

- для запуска топливного процессора на практике требуется слишком много времени (эту проблему можно избежать с использованием гибридной конфигурации),

- срок жизни протон-проводящей мембраны напрямую зависит от степени очистки водорода.

Многие производители автомобилей совершенствуют свои собственные разработки протон-проводящей мембраны для использования их в своих автомобилях, например, компания Honda в модели автомобиля FCX Clarity (Рис.3.), компания General Motors в Cherolet на основе ТЭ - модели Volt и Equinox, компания Volkswagen в ТЭ-моделях Touran и Tiguan.

Рис. 3. Honda FCX Clarity - первый в мире серийный автомобиль на топливных элементах.

Компания Toyota Motor планирует уже в 2015 г. начать мировые продажи транспортных средств на водородных ТЭ. Однако предполагается, что годовой объем продаж не превысит нескольких тысяч «автомобилей будущего». Причина скромных планов заключается в высокой стоимости технологической новинки. Алан Юттенховен (Alain Uyttenhoven) вице-президент компании Toyota Europe ожидает, что в Европе транспортное средство на топливных элементах Toyota Prius будет продаваться в розницу приблизительно за 100 000 евро.

Организация ZERO, занимающаяся продвижением низко-эмиссионных (или с нулевым уровнем выбросов) автомобилей в Норвегии, в апреле 2012 г. провеладемонстрационный проект, проехав на двух гибридных электромобилях на топливных элементах Hyundai iX35 из Осло в Монте-Карло (2260 км), используя только водородные заправочные станции.

Рис. 4. Организаторы пробега Осло - Монте-Карло на гибридном Hyundai iX35 в 2012 г.

В то время как первые автомобили на основе ТЭ базируются на особенном дизайне ТЭ, все другие получают заменой системы обычного двигателя (ДВС) на систему ТЭ. Единственная компания среди большинства автопроизводителей - компания BMW -развивает дополнительный энергетический блок на основе твердо-оксидных ТЭ (SOFC) для модели BMW 7-ой серии класса «люкс».

В настоящее время автомобили на основе ТЭ, в силу того, что они все еще являются недоразвитой технологией и находятся пока на уровне прототипов, значительно дороже автомобилей с ДВС, массово производимых в мире. Однако, прогнозы, представленные производителями автомобилей, показывают, что ценовая конкурентная способность может быть достигнута к 2014-2016 гг. Основные компоненты ТЭ, определяющие его высокую стоимость, являются катализатор (платина или сплавы на ее основе), ионная мембрана (NаFion или другой фтор-полимер) и графитовые биполярные пластины. Целевая стоимость для автомобилей на основе ТЭ сравнима с текущей стоимостью автомобилей с ДВС, т.е. $35-$50/кВт, и требует увеличения экономии при массовом производстве заготовок и улучшения характеристик в ключе «Ватт/единица активной площади».

Водород – единственный вид топлива, позволяющий производить низко эмиссионные автомобили, особенно если водород при этом производится из возобновляемых источников. Использование водорода как транспортного топлива может уменьшить зависимость от нефти, мировые запасы которой ежегодно существенно уменьшаются. Система ТЭ, использующая чистый водород, - относительно простая, она имеет лучшие характеристики, более эффективно работает и обладает самой длительной продолжительностью работы. Также, несмотря на свою репутацию, водород абсолютно нетоксичен, и его использование достаточно безопасно. Исследования, проведенные под руководством доктора Майкла Свэна (Dr Michael Swain) в Университете Майами (США) показали, что автомобиль на водородном топливе в отличие от автомобилей, использующих в качестве топлива природный газ, при возгорании двигателя не подвержены распространению огня на весь автомобиль. Ниже представлены сравнительные кадры из видеоматериала, полученного американскими учеными (слева: автомобиль на водороде, справа: автомобиль на газу).

Дата добавления: 2015-08-17