топливный аккумулятор что это такое
Из чего это сделано: водородные топливные ячейки
Найти новый источник энергии и перестать зависеть от нефти — такова задача, которую автомобильные инженеры решают уже не первый десяток лет. Современность предлагает много вариантов: более экологичный газ, продвинутый электромобиль или компромиссный гибрид. Но сегодня речь пойдет о другом решении — технологии водородных топливных ячеек.
Вода из выхлопной трубы?
Итак, есть еще один вариант того, что можно сжигать в ДВС вместо бензина или дизельного топлива, — это водород. Известно, что продуктом окисления водорода является вода. Сжигаем водород в кислороде, получаем энергию для работы поршней, а на выходе — водяной пар. Ну не прекрасно ли? И все же есть свои нюансы: водород при сгорании выделяет больше тепла, чем нефтепродукты, тем самым чересчур раскаляя двигатель. Кроме того, сгорая с воздухом, а не с чистым кислородом, он создает ряд вредных примесей. Все это не позволяет просто так сжигать водород в ДВС.
Однако есть и другое решение, предусматривающее использование водорода в качестве топлива. Еще 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а «побочным» продуктом реакции становится электричество. В двух словах принцип работы таков: объемная ячейка разделяется на две половины пластиной из особого материала, способного пропускать протоны и не пропускать электроны. В каждой из половин ячейки устанавливаются два электрода, связанные между собой в электрическую цепь. В одну половину ячейки подается водород, в другую — кислород. Катализатор, нанесенный на разделяющую мембрану, активирует реакцию водорода с кислородом; при этом атомы водорода расщепляются на протоны и электроны. Протоны проходят сквозь мембрану и, соединяясь с кислородом, дают воду. А электроны уходят в подсоединенную электрическую цепь, давая ток.
Такие водородно-кислородные топливные элементы уже применялись в космосе: они питали энергией советский многоразовый корабль «Буран».
Из космоса в автомобиль
Топливный элемент такого типа удалось приспособить и для автомобиля, причем один из первых вариантов предложили отечественные конструкторы. Компактный водородный генератор состоит из множества ячеек, принцип работы которых описан выше. Напряжение каждой ячейки низкое — от 0.6 до 1.0 В, но, если соединить ячейки последовательно, можно получить необходимое высокое напряжение.
Дальше всех в этом направлении продвинулись японские инженеры. Совместными усилиями специалистов Toyota и DENSO удалось создать эффективный водородно-воздушный генератор, который стал основой для серийной Toyota Mirai.
Система топливных ячеек вырабатывает энергию, комбинируя водород с кислородом из наружного воздуха. Японским инженерам удалось создать наиболее эффективную систему топливных элементов, достигшую высокой выходной мощности при относительной компактности и малом весе, благодаря использованию композитных баков и компактного силового оборудования.
Блок управления мощностью (PCU) Toyota Mirai производства DENSO решает, когда и как использовать производимую водородным генератором электроэнергию: часть ее система перенаправляет для хранения в литий-ионную батарею. Эта же батарея дополнительно заряжается и при рекуперации энергии торможения. При необходимости выдачи пиковой мощности (во время старта и разгона) используется как энергия водородного генератора, так и запасы батареи.
Во время работы силовой установки Mirai из трубы действительно идет дистиллированная вода — вообще никаких выбросов! Специалистам DENSO также удалось решить вопрос с быстрой и безопасной заправкой автомобиля водородом благодаря внедрению беспроводной связи с заправочной станцией, по которой передается вся информация о состоянии топлива в баках (о температуре и давлении водорода).
Запас хода Toyota Mirai второго поколения составляет внушительные 800 км (по циклу NEDC); при этом время полной заправки длится от 3 до 5 минут, что несравнимо быстрее, чем у электромобиля. Второе поколение Mirai с усовершенствованными топливными ячейками дебютировало на Токийском автосалоне два месяца назад, а уже в 2020 году этот автомобиль поступит в серийное производство.
Когда-нибудь — возможно, и не в столь отдаленном, как нам кажется, будущем — в каталоге DENSO для рынка послепродажного обслуживания автомобилей появятся, например, компоненты управления водородной силовой установкой. А пока в нем представлены более традиционные запчасти, обладающие, тем не менее, оригинальным качеством, надежностью и отличными рабочими характеристиками. Подобрать подходящие запчасти можно в нашем электронном каталоге.
Разница между Топливным элементом и Батареей
Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо.
Кроме того, Топливный элемент может производить электрическую энергию в течение более длительного периода времени по сравнению с обычной Батареей.
По принципу работы Топливные элементы и Батареи относятся к категории электрохимии. Это устройства, которые могут производить электрическую энергию с помощью химических реакций. Следовательно, процесс производства энергии, который происходит внутри обоих этих устройств, по своей природе схож.
Содержание
Что такое Топливный элемент?
Топливный элемент — это устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он напоминает батарею, но может обеспечивать электрической энергией в течение длительного периода времени по сравнению с обычной батареей. Реакции, происходящие внутри этого элемента, с помощью которых топливный элемент производит электрическую энергию — являются электрохимическими реакциями. Для протекания вырабатывающих электроэнергию реакций, требуется поддержание достаточного количества топлива и воздуха в камере топливного элемента. Топливо и воздух подаётся в камеру извне. Таким образом, это является основной причиной большого срока использования топливных элементов для выработки энергии.
Топливные элементы нашли применение в космических зондах, спутниках, космических кораблях. Кроме того, топливные элементы устанавливаются в различных местах, таких как электростанции, больницы, школы, отели и т.д.
Что такое Батарея?
Батарея — это устройство, содержащее два или более электрохимических элемента, которые могут напрямую преобразовывать химическую энергию в электрическую. Батареи имеют внешние клеммы для подключения к электрическим устройствам, таким как фонари, мобильные телефоны и д.р., Положительный вывод батареи является катодом, а отрицательный вывод — анодом. Электроны движутся от отрицательной клеммы к положительной клемме через внешнюю цепь.
В чем разница между Топливным элементом и Батареей?
Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо. Т опливный элемент может подавать электрическую энергию в течение длительного периода времени по сравнению с обычной Батареей. Кроме того, Топливный элемент непрерывно снабжается топливом и кислородом от внешнего источника, что даёт ему возможность работать в течение длительного периода времени, однако Батарея содержит ограниченное количество топлива и окислителя, и эти два компонента со временем уменьшаются, поэтому данное устройство не может давать электрическую энергию в течение длительного периода времени.
Заключение — Топливный элемент против Аккумулятором
И Топливный элемент, и Батарея похожи друг на друга процессами, происходящими внутри этих устройств. Кроме того, оба они могут производить электрическую энергию, используя химическую энергию реакции. Однако между Топливным элементом и Аккумулятором есть четкая разница. Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо.
Топливные аккумуляторы
Фильтры топливных систем
Для обеспечения надежной работы агрегатов двигателя топливо не должно содержать механические примеси. Поэтому топливо как в самой топливной системе летательного аппарата, так и вне ее перед заправкой) тщательно фильтруют.
Фильтрацию производят путем перепуска топлива через пористый материал, задерживающий механические частицы, размеры которых превышают размеры поровых ячеек. Таким образом, размер стороны ячейки в свету характеризует тонкость очистки.
Сетчатые фильтрующие элементы выполняют в виде каркасов, имеющих в сечении цилиндрическую или звездообразную форму, а также в виде тарельчатых перфорированных дисков. Бумажные фильтрующие элементы изготовляют из бумаги АФБ-1К, пропитанной спиртовым раствором бакелитового лака (марки А). Для увеличения поверхности бумага собрана в складки, поддерживаемые металлическим каркасом.
Подбор фильтра выполняют по характеристикам зависимости гидравлических сопротивлений от прокачки (см. рис. 26).
Топливные аккумуляторы обеспечивают кратковременную подачу топлива к ПНД при действии околонулевых и отрицательных перегрузок, при отливе топлива от ПНЛ в случае крена и скольжения летательного аппарата, а также отделение воздуха из топлива. Они бывают с плавающим поршнем и с мембраной (рис. 55).
Рис55. Топливные аккумуляторы:
Чаще встречаются последние как более легкие (могут быть выполнены в виде шара).
На входе топлива в аккумулятор расположен обратный клапан. При действии околонулевых и отрицательных перегрузок, когда топливо из бака не подается к ПНЛ, обратный клапан закрывается и топливо, находящееся в топливной камере аккумулятора, под давлением воздуха поступает к ПНД. После окончания действия этих перегрузок ПНЛ через открытый обратный клапан подает топливо в аккумулятор и к ПНД. Топливный аккумулятор необходимо устанавливать ближе к ПНЛ и обратному клапану. При наполнении аккумулятора топливом выделяющийся воздух по дренажной трубке отводится в бак или дренажный трубопровод.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Битва источников энергии. Кто победит — топливный элемент или аккумулятор
Заголовки новостей который год рассказывают нам об Илоне Маске и его электромобилях Tesla, перевернувших наше представление об автотранспорте. Вот только проехать на ней много не получится — сядет аккумулятор. И сколько бы ни пытались ученые всего мира сделать их компактнее, пока это выходит с большим трудом. Но всему есть альтернатива, и в этой статье мы расскажем о топливном элементе (ТЭ) — устройстве, которое способно вывести многие отрасли современной промышленности на совершенно иной уровень, и проведем баттл между ним и традиционным аккумулятором.
Представьте на секунду, что вместо power bank у вас в кармане маленький портативный топливный бак, который в результате своей деятельности выделяет в атмосферу только воду. Вы заправляете его раз в неделю, а до этого времени спокойно заряжаете свой смартфон или ноутбук, не пользуясь розетками. Думаете, это нереально? И ошибаетесь.
В середине позапрошлого века британский физик Уильям Грове изобрел гальванический элемент (устройство, преобразующее энергию химической реакции в электричество), состоящий из двух блоков: первый вырабатывал водород, а второй — потреблял его, выдавая в цепь электроэнергию.
Элемент Грове послужил прототипом для создания первых топливных элементов. Позже о них на некоторое время незаслуженно забыли из-за изобретения двигателя внутреннего сгорания и повсеместного распространения аккумуляторов.
Однако сегодня топливные элементы переживают свой новый рассвет. Их начали использовать везде: от бытовых устройств до самолетов. Всё это благодаря ряду особенностей, дающих ТЭ большие преимущества по сравнению с аккумуляторами.
Прежде чем начать наш баттл между топливным элементом и аккумулятором, нужно, чтобы они представились и рассказали о себе.
В топливном элементе всё намного эффективнее. Реакция сгорания там протекает с минимальным выделением тепла и максимальной отдачей электроэнергии. Таким образом его КПД может достигать 85 % — нереальной цифры для большинства современных устройств.
Итак, представление участников баттла закончилось. Переходим к первому раунду. Пошумим… Нет, обойдемся без этого. Кстати, ни один из наших участников не издает сколь-нибудь заметного звука в процессе своей работы. Они оба совершенно бесшумны и не выделяют избыточную энергию в виде детонационных звуковых волн, как, например, двигатель внутреннего сгорания. Ну ладно, со звуком вроде бы всё хорошо. А что до главных характеристик любого источника энергии: ёмкости и потери заряда? Как известно, ёмкость существующих аккумуляторов ограничена их габаритами. Поэтому мы будем пользоваться понятием «плотность энергии», которое показывает, сколько электроэнергии запасается в единице объема устройства. По этому показателю аккумулятор обходит топливный элемент лишь потому, что не требует поставки топлива извне. Поэтому, если взять одинаковую массу аккумулятора и топливного элемента с водородом, то аккумулятор выиграет по времени полного разряда. Правда, такое справедливо только при небольшой массе каждого из устройств.
А что до потери заряда со временем? Вот тут пришла пора топливному элементу дать отпор: он держит заряд намного лучше и не теряет в ёмкости — в отличие от аккумулятора, который уже после двух лет эксплуатации становится на 20 % менее ёмким.
С равным счетом мы переходим ко второму раунду. Какие еще положительные черты есть у аккумулятора по сравнению с его противником? Он не требует дополнительного запаса топлива. Для него как нельзя кстати подходит выражение «всё свое ношу с собой». Топливный элемент же фактически представляет собой двигатель, который перерабатывает топливо в электричество. Однако в отличие от тепловых машин он делает это более эффективно и экологично (при работе водородного топливного элемента, например, в атмосферу выделяется только вода).
Аккумулятор достаточно компактен, а развитые сети электроэнергии позволяют зарядить его в любом месте, где есть розетка. Этого не скажешь о топливном элементе: ему для питания нужен сжатый водород или метиловый спирт (который, кстати, крайне ядовит для человека).
Это был достаточно сильный выпад в сторону топливного элемента. Однако и у него есть козыри в рукаве. Если аккумулятору для увеличения длительности работы на одном заряде требуется повышение количества блоков, то у топливного элемента вообще нет понятия «заряд»: время его эксплуатации определяется количеством топлива, имеющегося в данный момент. Как мы уже говорили, если сравнивать одинаковые массы обоих устройств, то при их небольшом значении будет выигрывать аккумулятор. Но при увеличении массы превосходство топливного элемента становится очевидным: ведь больше 90 % всей его массы составляет само устройство. Топливо же фактически ничего не весит, если мы говорим о водороде. К тому же количество потребляемого топлива у водородного или спиртового элемента не такое большое, чтобы таскать за собой целые канистры. Что ж, счет 2:2. Продолжаем.
Настало время решающего раунда. Первым начинает, как всегда, аккумулятор. Только вот ему нечего сказать в свою защиту. А между тем у аккумуляторов есть серьезный недостаток: он выделяет заметное количество тепла. Поэтому их становится очень легко отследить, если снимать местность в инфракрасном диапазоне. Этот недостаток больше характерен для разведывательной техники, где незаметность — ваше всё. Топливный элемент, напротив, выделяет настолько малое количество тепла, что за стальным корпусом какого-нибудь беспилотника просто не будет заметен.
Наш баттл подошел к концу. Мы, конечно, могли бы сказать, что победил топливный элемент, однако это не так. Каждое из рассмотренных нами устройств имеет свои наиболее подходящие области применения. И если где-то выгоднее заменить аккумулятор топливным элементом, то в других областях это будет невозможно из-за ряда причин: рентабельности, неприменимости разработки в условиях эксплуатации, или из-за необходимости дорогостоящей инфраструктуры.
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.