Автомобили на топливных элементах
Как вы убедились, водород, метан, пропан и другие виды топлива можно просто сжигать, чтобы обеспечить движение автомобиля.
Однако их можно использовать и не в такой непосредственной форме, а в виде изготовленных по специальной технологии топливных элементов.
Автомобили, которые на них работают, так и называют — автомобили на топливных элементах.
ЧТО ТАКОЕ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ?
В конце XX века появился новый вид электрохимических источников питания, которые можно отнести к области альтернативной энергетики, — топливные элементы. Наибольшее внимание на первых этапах научно-исследовательских работ уделялось водородным топливным элементам.
Как показывает название, электричество они вырабатывают, используя водород. Процесс состоит в том, что водород соединяется с кислородом (т. е. окисляется), при этом выделяется тепловая энергия и образуется вода, а также немного закиси азота, если использовался атмосферный воздух. После того как водородный топливный элемент начинает производить ток, все, что требуется, — это добавлять водород.
Таким образом, процесс горения водорода заменяется в топливных элементах процессом окисления, который является более контролируемым И происходит при существенно более НИЗКОЙ темпе- 107
ратуре[26]. Существует несколько технических решений реализации такого процесса. Один из наиболее широко распространенных вариантов — это топливные элементы с протонно-обменными мембранами (ПОМ). Один такой топливный элемент обеспечивает постоянное напряжение примерно 0,7 В, т. е. чуть меньше половины напряжения типичного электрохимического сухого элемента. Для того чтобы получить большее напряжение, одиночные элементы соединяются последовательно. При этом напряжение, обеспечиваемое отдельными элементами, суммируется. Например, чтобы получить постоянное напряжение 14 В, необходимо соединить последовательно 20 элементов. Комплект соединенных последовательно топливных элементов, представляющий собой, по сути, аккумулятор, называется стэк. Чтобы увеличить емкость и вырабатываемый ток, топливные элементы, или стэки, нужно соединить параллельно. При этом ток от отдельных топливных элементов, ИЛИ СТЭКОВ, будет суммироваться; например, если соединить параллельно пять стэков, каждый из которых обеспечивает постоянное напряжение 14 В и ток до 10 А, то полученное устройство будет выдавать постоянное напряжение 14 В, а ток — до 50 А.
Стэки из топливных элементов могут быть разных размеров. Стэк, имеющий размеры кейса с книгами, может питать маленький электромобиль. Топливные элементы меньших размеров, называемые микротопливными элементами, могут использоваться для питания любых устройств, которые работают на обычных элементах питания: ноутбуков, портативных радиоприемников, электрических фонариков.
Водород — не единственное вещество, которое может применяться для создания топливных элементов. Были проведены исследования почти всех веществ, которые могут вступать в реакцию с кислородом с выделением энергии. Созданы топливные элементы на метаноле (метиловом спирте), который имеет преимущества перед водородом, так как он проще в хранении и транспортировке, потому что находится при комнатной температуре в жидком состоянии. В топливных элементах применялся пропан. Он хранится в баллонах для кухонных плит или обогревателей, используемых в сельских местностях. Нашел свое применение и метан. Однако некоторые ученые и инженеры возражают против пропана и метана, так как общество уже
 |
слишком сильно от них зависит, при том что относить их к «чистым» альтернативным видам топлива нельзя.
КАК РАБОТАЮТ АВТОМОБИЛИ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Автомобили на топливных элементах — это, по существу, электромобили, в которых используется топливный элемент вместо аккумулятора или вместе с ним. На рисунке 8.5 представлена функциональная схема автомобиля на водородных топливных элементах. Электродвигатель соединен с колесами с помощью системы приводов, похожей на трансмиссию в автомобиле на ископаемом топливе. Скорость автомобиля зависит от скорости, с которой вращается вал двигателя, а также от коэффициента передачи между двигателем и колесами.
|
Рис. 8.5. Функциональная схема автомобиля на водородных топливных элементах |
Электродвигатель питается электричеством, получаемым от топливных элементов, а в некоторых моделях — и от подзаряжаемого аккумулятора. В то же время аккумулятор может подзаряжаться и от топливных элементов, а также от системы регенеративного торможения того же типа, который используется в усовершенствованных электромобилях и гибридных электромобилях. Вообще очень удобно иметь аккумулятор, который позволит проехать определенное расстояние, даже если топливо закончилось.
В типичном автомобиле на топливных элементах около 50% энергии, содержащейся в водороде, может преобразоваться в полезную энергию. Оставшаяся энергия превращается в тепло, которое должно быть рассеяно системой охлаждения, конструктивно напоминающей радиатор в автомобиле на ископаемом топливе. Так как водород горит чище, чем ископаемое топливо, то очевидно, что хорошо сконструированный автомобиль на водородных топливных элементах будет иметь больший коэффициент полезного действия, чем традиционный автомобиль на ископаемом топливе, хотя в то же время и несколько меньший, чем автомобиль на водородном топливе, в котором происходит непосредственное сжигание водорода для обеспечения работы двигателя.
ПРЕИМУЩЕСТВА АВТОМОБИЛЕЙ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
• Использование автомобилей на топливных элементах может помочь индустриально развитым странам уменьшить зависимость от использования иностранной нефти.
• Рост производства водорода мог бы, как дополнительный выигрыш, стимулировать рост поставок водорода для отопления домов и офисов.
• Существующие трубопроводы для метана можно было бы адаптировать для обеспечения заправочных станций для автомобилей на топливных элементах, используя как метан, так и водород в качестве топлива.
• Суммарное загрязнение, обусловленное автомобилями на топливных элементах, — это лишь часть загрязнения, порождаемого автомобилями с двигателями на ископаемом топливе (при одинаковом пробеге), даже с учетом загрязнения, которое связано с производством водорода и изготовлением аккумуляторов.
• Водород можно выпускать в малых объемах на местных предприятиях.
• В некоторых районах для тех, кто использует автомобили на альтернативном топливе, в том числе и автомобили на топливных элементах, отменяются или уменьшаются налоги.
НЕДОСТАТКИ АВТОМОБИЛЕЙ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
• Максимальный пробег автомобиля на водородных топливных элементах меньше, чем пробег автомобиля на ископаемом топливе. Если используются другие топливные элементы (например, на метане или пропане), то максимальный пробег автомо-
билей на топливных элементах и автомобилей на ископаемом топливе будет сравним.
• В некоторых районах получение сервисного обслуживания автомобилей на топливных элементах может быть затруднено из — за отсутствия запчастей и квалифицированного персонала.
• Проблема хранения топлива в автомобиле на водородных топливных элементах представляет серьезное препятствие для широкого распространения этих автомобилей.
• Автомобили на водородных топливных элементах достаточно дороги в эксплуатации, в основном из-за стоимости процессов, необходимых для выделения водорода из природных соединений.
Задача 8.4
Если водород можно непосредственно сжигать в двигателе внутреннего сгорания в автомобиле на водородном топливе, то зачем использовать в автомобилях топливные элементы на водороде как дополнительное звено, когда автомобиль и так будет работать? Не является ли это лишней ступенью, просто снижающей коэффициент полезного действия?
Решение 8.4
Существуют две причины, по которым автомобили на водородных топливных элементах могут быть предпочтительнее автомобилей на водородном топливе. Во-первых, топливные элементы можно использовать при столь низких температурах, при которых двигатели внутреннего сгорания на водороде не могут работать. Кроме того, в автомобиле на водородных топливных элементах можно установить аккумулятор, непосредственно от которого электродвигатель будет получать энергию. Аккумулятор также позволяет запасать энергию от системы регенеративного торможения. Таким образом, в автомобиле на водородных топливных элементах объединились несколько достоинств, свойственных электромобилям, гибридным электромобилям и автомобилям на водородном топливе, вместе взятым.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Отвечая на эти вопросы, вы можете пользоваться текстом книги. Восемь правильных ответов — хороший результат. Ответы помещены в конце книги.
1. Какое из нижеприведенных утверждений о водороде неправильно?
(а) при его горении в среде чистого кислорода выделяется только энергия и вода;
(б) это самый легкий элемент во Вселенной;
(в) его легко обнаружить в свободном состоянии, так же как нефть и природный газ;
(г) это наиболее часто встречающийся элемент во Вселенной.
2. Сколько топливных элементов с ПОМ нужно соединить последовательно, чтобы получить стэк, который обеспечит постоянное напряжение 50 В?
(а) 72;
(б) 36;
(в) 18;
(г) невозможно получить постоянное напряжение 50 В, соединив последовательно топливные элементы с ПОМ.
3. Рассмотрим устройство, представленное на рис. 8.6. Предположим, что с его помощью можно провести процесс электролиза. Если это так, то что неправильно на рисунке?
|
Переменное напряжение 117В
Рис. 8.6. Иллюстрация к контрольным вопросам 3, 4, 5 |
(а) все правильно;
(б) напряжение слишком высокое;
(в) полярность напряжения неправильная;
(г) напряжение должно быть постоянным, а не переменным.
4. Если устройство, показанное на рис. 8.6, используется точно так, как это показано на рисунке, то что должно появиться на электроде X?
(а) ничего;
(б) пузырьки водорода;
(в) пузырьки кислорода;
(г) пузырьки водорода и кислорода.
5. Если устройство, показанное на рис. 8.6, используется точно так, как это показано на рисунке, то что должно появиться на электроде Y?
(а) ничего;
(б) пузырьки водорода;
(в) пузырьки — кислорода;
(г) пузырьки водорода и кислорода.
6. Свинцовый аккумулятор в гибридном электромобиле нельзя подзарядить с помощью:
(а) внешнего зарядного устройства;
(б) электролиза;
(в) солнечной батареи на крыше;
(г) регенеративного торможения.
7. Что из нижеприведенного является преимуществом никель — металлгидридного аккумулятора перед никель-кадмиевым аккумулятором?
(а) никель-металлгидридный аккумулятор может вырабатывать как переменное напряжение, так и постоянное;
(б) никель-металлгидридный аккумулятор может запасти больше энергии на единицу объема;
(в) никель-металлгидридный аккумулятор в большей степени обладает свойством памяти;
(г) ничего из вышеперечисленного; никель-кадмиевый аккумулятор лучше никель-металлгидридного аккумулятора.
8. Что из нижеприведенного демонстрирует существенный недостаток водорода в качестве топлива для непосредственного сгорания в среде чистого кислорода в двигателях автомобилей?
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА без тайн
(а) он может выделять слишком большую мощность;
(б) он выделяет газ сульфид водорода;
(в) он выделяет много закиси азота;
(г) он дорог при производстве, хранении и транспортировке.
9. Свинцовые аккумуляторы при неправильной утилизации могут вызвать загрязнение окружающей среды в виде:
(а) выделения закиси азота;
(б) загрязняющих частиц;
(в) загрязнения тяжелыми металлами;
(г) адсорбции водорода.
10. В каких из нижеприведенных единиц выражается емкость никель-металлгидридного аккумулятора (речь идет о токе, вырабатываемом за определенное время)?
(а) В х ч;
(б) А х ч;
(в) Вт х ч;
(г) кВт х ч.