Полная версия

Главная arrow Техника arrow Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГИБРИДНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ

Устройства и назначения топливных элементов

Водородная экономика является основой энергетической безопасности и устойчивого развития общества в ближайшем будущем. Водородная энергетика является одним из ключевых решений вопросов экологии и энергосбережения. При этом движущей силой водородной энергетики, безусловно, являются топливные элементы (ТЭ), обеспечивающие крайне высокую экологическую частоту и КПД использования энергии топлива (до 60—80 %), правда, в последнем случае с утилизацией отходящего высокопотенциального тепла.

Топливным элементом называется прямой преобразователь химической энергии в электрическую, в котором реакция электрохимического окисления происходит без расхода вещества электродов и электролита. Исходными реагентами служат горючее и окислитель, обладающие запасом энергии химических связей, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока (при получении конечного химического продукта взаимодействия компонентов топлива и выделении некоторого количества тепловой энергии). В обращенном или регенераторном режиме работы ТЭ подведенная к нему электроэнергия преобразуется в химическую энергию реагентов топлива.

Топливный элемент — химический источник топлива (гальванический элемент), в котором реагенты не входят в состав электрохимической ячейки (ее электродов), а подаются на электроды извне. Процесс работы ТЭ сопровождается окислением (сгоранием) топлива, а электронные проводники (обычные металлы), входящие в состав электродов, не расходуются в процессе химической реакции для генерации электрического тока. В качестве восстановителя обычно используются традиционное топливо, его компоненты или продукты его переработки (например, природный газ, водород, метанол, и т. п.), а окислителем служит кислород воздуха или чистый кислород. Среди перспективных источников энергии следует выделить электрохимические генераторы на основе топливных элементов, которые оценивают как основной бортовой источник энергии, имеющий возможность заменить ДВС в будущем. Исключение тепловых двигателей, несомненно, позволит со временем решить экологическую проблему автотранспорта.

ЭМ с ТЭ интенсивно разрабатывались в 60-е и 70-е гг. XX в., когда ЭХГ впервые применили в космической промышленности. Следует отметить, что в 1982 г. в СССР был создан микроавтобус на базе РАФ с ЭХГ на основе ТЭ со щелочным электролитом, с баллонной системой хранения водорода и буферной серебряно-цинковой ТАБ.

Ведущие производители в связи с обострением энергетического кризиса и ростом цен на бензин форсируют создание транспортных средств (ТС) на базе перспективных источников электрической энергии. Таким источником на ТС в недалеком будущем может стать топливный элемент. Небольшие размеры и масса, отсутствие необходимости перезарядки ТЭ от внешнего источника электрической энергии дают основания в перспективе применять ТЭ на ТС.

Топливные элементы относятся к химическим источникам тока, где обеспечивается прямое преобразование химической энергии в электрическую. В ТЭ вместе сведены три фазы физико-химической системы: газ (топливо, окислитель); электролит (проводник ионов); механический электрод (проводник электронов). Однако, в отличие АБ, ТЭ функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника, и химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т. е. ТЭ не нуждается в перезаряде. Существуют различные типы ТЭ, их можно классифицировать по используемому топливу, рабочему давлению, температуре, характеру применения. Выбор исходного топлива, используемого в ТЭ, определяется в первую очередь его стоимостью, доступностью, экологическими характеристиками, химической активностью и удельной энер-

гией на единицу массы. Поэтому в качестве исходного топлива применяются недорогие и доступные природные и синтетические виды топлива (природный газ, уголь, метанол и др.). однако с приемлемой скоростью в ТЭ может окислиться лишь водород. По указанной причине природные виды топлива метанол и монооксид углерода предварительно конвертируются в блоки подготовки топлива в водород (рис. 2.1).

Метанол

Вода

Блок-схема подготовки углеводородного топлива в водород

Рис. 2.1. Блок-схема подготовки углеводородного топлива в водород

Однако при изменении метанола его необходимо подавать к ТЭ через процессор, где образуется смесь, богатая водородом, и затем очищать от СО (рис. 2.2).

Бензин

Блок-схема процессора для обогащения и очистки водородного топлива

Рис. 2.2. Блок-схема процессора для обогащения и очистки водородного топлива

В системе ТЭ с риформингом бензина процесс протекает при более высокой температуре, что усложняет в целом энергетическую установку. Химический процесс можно описать реакциями:

СН4 + Н20 = С0 + ЗН2 С0 + Н20 = С02 + Н2

сн3он + н2о = со2 + зн2 с + н2о = со + н2

Продукты конверции подаются затем в ТЭ. Для увеличения тока и напряжения ТЭ соединяются в батареи. Устройство, состоящее из батарей ТЭ, систем подвода реагентов, автоматики, отводов продуктов реакции и тепла, получило название электрохимического генератора (ЭХГ). В свою очередь, ЭХГ входит в электрохимическую энергетическую установку (ЭЭУ), в которую дополнительно включены блоки подготовки топлива, преобразователь тока (инвертор) и блок

Нагрузка

Блок-схема ТЭ

Рис. 2.3. Блок-схема ТЭ

использования тепла ТЭ с твердым электролитом, представленный на рис. 2.3.

Два электрода разделены твердым электролитом. Имеется система подвода топлива на один электрод (анод) и окислителя — на другой (катод), а также система для удаления продуктов реакции. Внешней электрической цепью ТЭ соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

В настоящее время ТЭ применяются в двух сферах: автономная и большая энергетика. Для автономного использования основными являются: удельные характеристики, удобство эксплуатации, а стоимость вырабатываемой энергии не становится основным показателем.

Для большой энергетики решающими факторами являются: экономичность, долговечность, использование природного топлива при минимальных затратах на подготовку.

Большинство систем на ТЭ, разрабатываемых в настоящее время в электромобилестроении, имеют протонообменные мембраны. Их работа основана на преобразовании химической энергии, содержащейся в топливе, в электрический ток, который приводит в движение тяговые электродвигатели (ЭД) электромобиля (ЭМ). Единичный ТЭ элемент дает ток с напряжением 0,7 В, а батарея из 200 таких элементов — 140 В. Применение ТЭ на ТС сулит наибольшее выгоды по сравнению с ДВС и дизельным мотором за счет компактности, высокого КПД (до 50 %), значительного срока службы, малого времени для достижения номинальной мощности ЭД, хорошей разгонной динамики.

В ТЭ с щелочным электролитом водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (ОН-) с образованием воды и электрона.

На катоде кислород ступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидрокси-ла 02Н).

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, где происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс возможно обратить — приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме.

Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяют в небольшие модули или батареи, которые соединяют либо последовательно, либо параллельно.

К преимуществам ТЭ перед ДВС относятся: экологическая чистота, высокий КПД. Однако применение ТЭ в качестве главного источника энергии на автомобиле сдерживается их высокой стоимостью и проблемой получения и хранения на борту автомобиля топлива в необходимом количестве для работы силовой установки.

Наиболее очевидным решением является непосредственное применение водорода на борту автомобиля как топлива. К достоинствам этого решения относятся: практически неисчерпаемые запасы водорода, динамические характеристики ТЭ, получающих водород путем химического разложения углеводородного топлива (метанола, бензина и т. д.). При этом главный недостаток — большие капиталовложения, необходимые для организации инфраструктуры производства, хранения, снабжения водородом.

На борту образцов ЭМ с ТЭ применено три способа хранения водорода: в газообразном виде под высоким давлением, в криогенном виде и в химических соединениях с гидридами металлов.

Общепризнано, что хранение и заправка водорода на борту любого АТС является нерациональным из-за большого габарита, веса пригодных для криогенных или гидридных баков. Это привело к необходимости иметь на борту автомобиля установку (реформу), вырабатывающую водород в процесс протекания химических реакций. Недостатком такого решения является необходимость заготавливать в заводских условиях исходные химические вещества, например метанол, путем разложения которых на борту автомобиля вырабатывается газообразный водород.

Это решение использовано фирмой «Даймлер-Крайслер» при создании экспериментальной энергетической установки для ЭМ с ЭТ Иесаг-З, которая заправляется жидким метанолом. Преобразователь типа вода—пар обеспечивает выделение водорода для ЭХГ, питающего ТЕД. В процессе работы установки по разложению метанола не образуется ни окислы азота, ни частицы сажи; существенно снижаются выбросы двуокиси углерода (С02). Фирма считает, что заправка автомобилей метанолом может осуществляться на существующих автозаправочных станциях. Однако проблемным вопросом является все же производство метанола в больших количествах и ядовитости самого метанола.

В 2000 г. фирма вМ представила экспериментальный образец ЭМ с ТЭ, в котором получение водорода осуществляется химическим разложением бензина. В реформере происходи смешивание кислорода с парами бензина. В результате углеводородные молекулы разделяются на Н2 и СО, причем окись углерода является токсичным. Для избегания загрязнения ТЭ и выброса в атмосферу СО, в реформер подаются свободные атомы кислорода, превращающие СО в углекислый газ С02. В результате из реформера получается почти чистый водород для ТЭ.

Отметим, что получение водорода на борту автомобиля путем химического разложения бензина позволяет полностью сохранить систему снабжения автотранспорта бензином, существующим в настоящее время.

Одним из сложных проблемных вопросов является стоимость ТЭ. Необходимы ТЭ 100... 150 долл, за 1 кВт ч, тогда как существующие элементы стоят 1000... 1500 долл, за 1 кВт ч. Ожидают, что массовое производство позволит снизить стоимость [1].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>