паливні елементи

Постановка проблеми.Завдяки високим показникам ККД, який у деяких систем досягає рівня 80% і більше [1], паливні елементи вважаються найбільш ефективними джерелами автономної генерації електроенергії. Дана технологія має багато переваг: безшумність, відсутність шкідливих викидів, хороші масо-габаритні показники. На сьогодні автомобілебудівники проявляють велику зацікавленість паливними комірками також і завдяки можливості регенерації палива, що може з часом спровокувати відмову від класичних двигунів внутрішнього згорання. Розробка та побудова автомобілів на базі паливних комірок на даний час є приорітетним шляхом забезпечення екологічної та енергетичної безпеки України.

Аналіз останніх досліджень. Енергосистема автомобіля на базі паливних елементів будуєтся навколо електродвигуна, паливної комірки,  накопичувача для водню та системи конденсаторів. Конструктивно автомобіль створений за  концепцією „двох поверхів”. Така побудова зумовлена необхідністю захисту енергосистеми  від можливих ударів при аварії. Паливна комірка в такій схемі розташована безпосередньо під салоном, а балони з паливом під багажником автомобіля. Еволюцію агрегатів,  можна прослідкувати на базі автомобіля  Хонда-FCX.

Перша експериментальна  „Хонда-FCX” на паливних елементах була виготовлена у 1999 році [2]. Вона  могла перевозити лише двох пасажирів, а запас водню зберігався у інтерметалоїдних металгідридних накопичувачах. Другий варіант даного автомобіля у якості зберігача водню використовував бак з метанолом. На автомобіль був встановлений реактор, який перетворював метанол на водень. Ці машини могли пересуватись самостійно на швидкості до 100 км/год. Третій прототип корпорація представила  у 2001 році. У якості накопичувача водню була прийнята балонна система об’ємом 100 літрів і тиском            25 МПа, її розміщували під багажником,  об’єм багажника був зайнятий системою конденсаторів. У передній частині автомобіля  встанолений електродвигун змінного струму потужністю 60 кВт,  паливна комірка розміщена під салоном.

Така концепція дозволила перевозити чотирьох пасажирів із максимальною швидкістю 130 км/год та можливістю пробігу на одній заправці 180 км. Четверте покоління японських автомобілів має удосконалену балонну систему, яка витримувала тиск 35 МПа і об’ємом 137л. Модернізували також паливні елементи та конденсатори, що досягли питомої енергоємності у 1,5кВтгод/кг. В результаті швидкість зросла до 140 км/год, а пробіг на одній заправці досягнув 315 км. У  цій моделі знайшлось місце і для багажника на 98 літрів.

Подальша модернізація автомобіля продовжувалась і сьогодні корпорація випробовує уже шосту версію прототипу, на якому встановлені паливні елементи розроблені власними зусиллями потужністю у 86 кВт. Модернізації піддавсь також електродвигун (до 80 кВт), конденсатори,  система зберігання водню досягла об’єму 156л. У результаті автомобіль міг проходити без дозаправки уже 395 км на швидкості 150 км/год. Даний прототип досить близько наблизивсь до серійного виробництва.

Рис.1. Структурна схема автомобіля „Хонда-FCX”           

  1 – радіатор батереї паливних елементів; 2 – тяговий електродвигун; 3 – радіатор трансмісії; 4 – повітряний насос;   5 – агрегат управління живленням; 6 – блок паливних елементів; 7 – батарея паливних елементів; 8 – фільтр; 9 – балони високого тиску;   10 – конденсатори

Мета дослідження. На прикладі історії розвитку „Хонди-FCX”, можна сформулювати основну інженерну проблему атомобілів, побудованих на базі водневих паливних елементів. Це проблема полягає у відсутності ефективного та безпечного накопичувача енергоносія. Отже основною метою дослідження є аналіз існуючих систем зберігання енергоносія для автомобільної паливної комірки.

Основна частина.Технології зберігання водню поділяются на два види –  зберігання молекулярного водню та зберігання хімічно зв’язаного водню.

 До систем зберігання молекулярного водню належать      металгідридні інтерметалоїдні, балонні та кріогенні технології зберігання. Японські інженери на першому етапі провели тести металгідридних інтерметалоїдних систем і відкинули їх. Це викликано дороговизною даної технології, а також її швидкісними характеристиками при вивільненні газу. Прийнята на автомобілі технологія зберігання водню у балонах високого тиску несе у собі потенційну небезпеку у випадку розгерметизації. Крім того маса балону у сотні разів більша за масу палива, що в ньому зберігається. Водень має властивість текучості крізь метал, цей факт вносить додаткові ускладнення у використання балоної системи. Більш ефективним повинен бути метод зберігання водню у зрідженому стані. Він  широко використовується у аерокосмічній галузі оскільки маса накопичувача всього у кілька разів може бути більшою від маси водню. При цьому водень зберігають зрідженим у низькотемпературних кріостатах. Для подачі зріджений водень випаровують та підігрівають. Дану технологію застосовує фірма „БМВ” для своїх кріогенних двигунів внутрішнього згорання. Але ця технологія має свої негативні фактори, а саме: температурне розшарування, складні системи подачі палива у кріостат, дорогу теплоізоляцію, неможливість зберігання водню протягом довгого періоду.  Розгерметизація накопичувача під час аварійних ситуацій може привести до непередбачуваних наслідків. Хоча ця технологія зараз активно розвивається, на нашу думку, вона не виправдана для застосування у даній галузі.

Системи зберігання водню у хімічно звязаному стані в загальному володіють значно вищими показниками безпеки, проте їх спільним недоліком є те, що у схему необхідно вводити реактор який перетворюватиме хімічну сполуку на водень. В таких технологіях якість роботи реактора є домінуючою і визначає загальну потужність силової установки. Із вище наведеного аналізу видно, що метанольна система не задовольнила вимог щодо продуктивності виділення водню та масогабаритів реактора і була відкинута на початковому етапі. На увагу можуть заслуговувати системи зберігання хімічно звязаного водню на базі гідроактивних речовин на прикладі кремнію. Фактично зберігається не сам водень, а метал, який його витісняє із води. Безсумнівною перевагою даної технології є те, що водень, отриманий із реактора одразу потрапляє у паливну комірку,  тобто ризик вибуху зводиться до мінімуму

Si+2H2O=SiO2+2H2                        (1)

Це є похідною від технології розкладу гідриду гідротермічним методом і являє собою спрощений його варіант,  коли добування водню проходить тільки за умови присутності води.

Вона дозволяє використовувати гідриди металів, та твердиі гідроактивні речовини: метали 2,3 групи кремній та алюміній.  Технологія позитивно характеризується: можливість довгострокового та безпечного зберігання значних об’ємів енергії; простотою синтезу металів; широко розвиненою інфраструктурою по їх виготовленню.  Недоліком цієї технології є складності у контролі за інтенсивністю протікання реакції та необхідність відводу продуктів реакції і тепла.  Якщо дану систему організувати правильним чином, то можна отримати накопичувач із великою ємністю та хорошими показниками безпеки. При цьому зберігач може вивільнити за допомогою 1кг кремнію 1,3 м3 водню [3].

Альтернативним методом забезпечення енергією агрегатів автомобіля є можливість використання  паливної комірки, яка у якості енергоносія споживає метал. Така система характеризуватиметься наступними якостями:

- електрохімічна регенерація палива;

- високе відношення маси палива до маси зберігача палива,

- висока питома енергоємність системи;

- безпечне зберігання великих об’ємів енергії;

-  швидкий перезаряд. 

В загальному вважаєтся, що для побудови автономної енергосистеми автомобіля співвідношення енергоємності до маси  повинно складати приблизно 200 Вт*год/кг [4]. Саме  металеві паливні комірки можуть задовольнити даний показник питомої енергоємності.

 Прикладом використання в якості палива металу є цинково-киснева система паливного елемента з лужним електролітом. Конструктивно такі паливні комірки виконують у двох варіантах: із зернистим цинком або розтяжною багатошаровою фольгою. На сьогодні вдалось побудувати паливні елементи питома енергія яких складає 180 – 200 Вт*год/кг із врахуванням маси кисневих балонів. Дана технологія може бути суттєво модернізована у випадку переходу на атмосферний кисень. Теоретично енергоємність цинково-кисневого паливного елемента може досягати                1080 Вт*год/кг [5].

Рис.3. Конструкція паливного лужного зернисто цинко - кисневого елемента

1,2 – електроізоляція ; 3 – система подачі зернистого цинку;  4 – цинковий порошковий анод; 5 – луг ; 6 – кисневий електрод;     7 – корпус;  8 – система подачі кисню

На сьогоднійній день існують паливні елементи, у яких в якості палива використовується натрій. Ці прилади розроблені ще у другій половині минулого століття для американських субмарин. І хоча ця система сильно поступаеться водневим паливним коміркам у відношені маси палива до його енергоємкості, у відношенні маси тари до маси пального, натрієва система має явну перевагу. Фірма “Kellog” створила систему у якій для отримання 1кВтгод необхідно витратити 0,5 кг натрію [5]. Технологія  має певний недолік, пов’язаний із надто високою активністю натрію, що у свою чергу призводить до необхідності використання ртуті для створеня амальгами, що ускладнює широке застосування цих стеків.

 У металевих паливних комірок існують значні проблеми на етапі підведення палива та відведення продуктів реакції, проте практично не існує проблем при зберіганні енергоносія. Вирішенням  даної проблеми може бути конструкція паливної комірки на основі вуглеволоконної касети. Під час заряду наступний на вуглеволокно осаджуєтся метал, воно відіграє роль від’ємного електроду.  При  розряді вуглеволокно проходить крізь робочий об’єм паливної комірки і на ньому відбувається окислення металу. Відповідно продукти реакції залишаються на волокні і  відводяться разом із ним. 

Висновки. Для побудови ефективного, екологічно чистого та безпечного автомобіля на базі паливних елементів необхідно:

А) наявність металевої паливної комірки із високою питомою енергоємністю та  удосконаленими системами підвобу пального і відводу продуктів реакцій

Б) присутність ефективного накопичувача водню із високим співвідношенням маси водню до маси зберігача та високою швидкістю вивільнення газу

В)зважаючи на відсутнысть даних технологый а також на складнысть систем які обслуговують стек можна зробити висновок про безперспективність застосування паливних елементів у автомобілях. 

Г) на сьогодні використання літій іонної технології є більш прийнятною для побудови екологічно чистого транспорту

Д) використання паливних елементів у стаціонарних обєктах може дозволити реформувати енергетику підвищити її коефіцієнт корисної дії у 2 рази

(таття написана відносно правильно оскільки була вичитана разів з 20 всім кому не лінь)