Паливні осередки здатні запасати більше енергії, ніж існуючі батареї, займаючи
Вихлопні гази автомобілів - одне з головних джерел забруднення довкілля. Створення екологічно чистих, так званих "зелених" автомобілів – головна проблема, над вирішенням якої працюють автобудівники багатьох країн. Безперервне зростання вартості бензину також стимулює роботи з пошуку альтернативних, екологічно чистих видів палива.
Нагадаю, як працює гібридний двигун. Під час рівномірного руху на шосе працює один бензиновий (або дизельний) двигун. При прискоренні та на підйомі підключається електромотор. При повільному русі у трафіку можна їхати з одним електродвигуном.
Багато аналітиків висловлюють думку, що через кілька років компанії, у яких у виробничих програмах не буде моделей із гібридними установками, почнуть втрачати покупців. Зі загальних економічних міркувань можна вважати, що зростання випуску спорт-універсалів і мінівенів з гібридними двигунами обганятиме аналогічні седани.
Водночас провідні автобудівники форсують створення машин з паливними елементами:
1. Volvo збільшить запас ходу електрокарів за допомогою паливних осередків
Паливні осередки
Наступним ланцюжком отримання енергії для автомобіля може стати наступна: зерно, спирт, водень, паливний осередок, електродвигун автомобіля при повній відсутності двигуна внутрішнього згоряння.
Як видно з цієї схеми, необхідність двигуна внутрішнього згоряння відсутня повністю, оскільки електрична енергія отримана шляхом хімічної реакції. Відсутність двигуна внутрішнього згоряння та наявність електромотора, який вже сам по собі має значний момент навіть на низьких оборотах значно полегшить та спростить конструкцію автомобіля та зробить йогоще «зеленішим».
Схематично паливний елемент представляє електрохімічну комірку, в якій два електроди з пористого вуглецю з нанесеним каталізатором розділені полімерною мембраною. Водень, що подається під тиском, взаємодіє на катоді з іонами гідроксилу з утворенням води і виділенням вільних електронів. На аноді кисень з повітря взаємодіє з іонами водню і електронами, що надходять від катода у вигляді струму. При такому електрохімічному процесі виділяється тепло і утворюються вода та електрострум.
Вперше поява електроструму при реакції водню з киснем спостерігалося ще 1839 року. Практичну реалізацію процесу було здійснено порівняно недавно під час створення космічної техніки. Щоб можна було приступити до створення автомобілів з паливними елементами, довелося долати різні технічні проблеми, ряд яких ще не доведений до промислово-прийнятного рішення. Проте вже створено дослідні зразки машин із транспортуванням водню у балонах або хімічно пов'язаного у метиловому спирті (метанолі).
Висока вартість перших варіантів автомобілів на паливних елементах була зумовлена застосуванням каталізаторів на основі рідкісних металів (платина та ін.) та складною системою зберігання рідкого водню за дуже низької температури. Додаткові складності виникали при стоянці машини на сонці, коли починаються теплові втрати водню у системі паливних елементів. Для накопичення досвіду, необхідного для вирішення технічних завдань, що виникають, в 2000 році було розпочато експлуатацію шести автобусів в Чикаго і Ванкувері (Британська Колумбія, Канада). Канадська компанія Ballard Power Systems, створена в 1979 році зі штаб-квартирою у Ванкувері, лідирує зараз зі створення паливних елементівдля автомобілів.
Зберігання водню під тиском викликає інші проблеми, у тому числі й можливість вибуху під час витоку водню. У зв'язку з цим системи, де джерелом водню є метиловий спирт, видаються перспективнішими. Із застосуванням як паливо метанолу замість рідкого водню спрощується система зберігання палива в автомобілі, і заправка може здійснюватися на колонках на звичайних автозаправках.
DymlerChrysler має намір у 2003 році виготовити для досвідченої експлуатації партію автомобілів NECAR-3 з паливними елементами на метанолі та запасом ходу між двома заправками 400 миль.
У моделі Ford Mondeo P2000 FC5 400 паливних осередків на метанолі масою 172 кг розташовані під капотом. За температури 85 градусів Цельсія починається реакція утворення водню з метанолу. Електромотор потужністю 120 л. забезпечує досягнення максимальної швидкості 145 км/година. Час розгону після рушання з місця до швидкості 100 км/год – 14 сек. Запас ходу – 160 км, можлива вартість – 35 тис. доларів. Алюмінієвий кузов машини на 40% легший за сталевий, а магнієвий картер легший за алюмінієвий. До запуску у виробництво 2004 року творці машини розраховують знизити ціну до 15 тис. доларів.
Японські компанії Toyota та Honda оголосили, що вони почнуть дослідно-промислове виробництво легкових автомобілів із паливними елементами у 2003 році. Японська Mazda та німецька BMW також оголосили про свої роботи зі створення транспортних засобів із паливними елементами. У штаті Нью-Джерсі незалежна від великих компаній група інженерів створила дослідну модель New Jersey Ventures із застосуванням системи з паливних елементів та нікель-кадмієвих батарей. При перших пробігах цей автомобіль розвивав швидкість 120 миль/годину.
Але виникають новіскладності, пов'язані з технічними та економічними проблемами виділення водню з метанолу безпосередньо у силовому агрегаті автомобіля. Після стоянки з двигуном, що не працює, потрібно близько двох хвилин, щоб вся система почала працювати знову. Також слід побоюватися можливості отруєння метанолом. Випитий у невеликій кількості метанол викликає сліпоту. З іншого боку, метанол може виходити при хімічній переробці морських водоростей та відходів сільського господарства, тобто відноситься до відтворюваних сировинних ресурсів.
Невблаганна економіка стимулює розвиток промислового виробництва іншого спирту - гідролізного етилового спирту (етанолу) також із відновлюваних відходів лісопереробної та сільськогосподарської галузей та масове впровадження двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на сумішах, що містять понад 50% етанолу.
На закінчення висловлю думку, що найближчі 10-20 років будуть періодом масового виробництва автомобілів, що працюють із застосуванням альтернативних видів палива, в першу чергу зрідженого газу та етилового спирту, при одночасному випуску великої кількості різних моделей з гібридними двигунами. Паралельно йтиме вдосконалення конструкцій та технологій виготовлення двигунів на паливних елементах. Швидше за все, через 30-50 років у автомобілебудуванні автомобілі на паливних осередках витіснять двигуни внутрішнього згоряння.
Конкуренція двигунів може бути цікавішою за багато детективних історій.
FordModel U concept car
Nissan X-Trail Fuel Cell Vehicle
GeneralMotors HydroGen3
Паливні осередки здатні запасати більше енергії, ніж існуючі батареї, займаючи таке жпростір. Навіть найпередовіші батареї мають значно менше значення питомої енергії, ніж у накопичувача водневого палива. Однак поки що простіше створювати саме батареї малого розміру, а не помпи та контролюючу електроніку для паливних осередків. А малорозмірні помпи часто споживають більше енергії, аніж виробляють.
"Установка помпи, датчика тиску та електроніки для контролю системи в такому малому обсязі не практична", - говорить Саїд Могхаддам (Saeed Moghaddam) з Університету Іллінойсу. "До того ж, якщо вони все-таки зможуть виробляти енергію, їх споживання ймовірно перевищуватиме обсяг генерованої енергії". Тому Могхадам разом зі своїми університетськими колегами включився в роботу над створенням такої конструкції крихітних паливних елементів, яка б дозволяла генерувати енергію, не споживаючи її на власні потреби.
Новий пристрій має лише 4 елементи. Тонка мембрана відокремлює водний резервуар зверху від камери з метал - гідридом, розташованої під ним. Ще нижче розташовані електроди. Невеликі отвори в мембрані дозволяють молекулам води проникати до сусідньої камери у вигляді пари. Потім пари води вступають у реакцію з метал-гідридом, в результаті якої утворюється водень. Він заповнює цю камеру і тиск на мембрану знизу, і отвори в мембрані перекриваються. Водень поступово витрачається внаслідок протікання реакцій на електрода для отримання електричного струму. Потім тиск водню падає, і вода знову починає надходити в камеру для подальших реакцій.
"Всього 9 мм3 - це безумовно дуже небагато", - говорить Стів Арскотт (Steve Arscott) з Університету Лілля, експерт у паливних мікроосередках. "Однак потужність цих осередків занадто мала, щоб вони моглибути справді корисними", — додає Арскотт. Його власні паливні мікроосередки використовують метанол, а не воду як джерело водню, як роблять багато мікроосередків. і становить 0,13 мВт/мм2.
Але експерти вказують, що ці два пристрої не можна порівнювати між собою. Більшість паливних осередків отримують живлення ззовні, в той час як новий пристрій витрачає паливо, розміщене всередині нього. При цьому великий запас палива в осередку вимагає багато простору, що призводить до падіння питомої потужності. Однак залежно від розмірів питома потужність нового паливного елемента все ж таки порівняно висока — 100 ват на літр.