6. Водородные топливные элементы, зарядные станции для автотранспорта: рекомендации Российского союза инженеров

В последние десятилетия все больше внимания уделяется топливным элементам, работающим на водороде. При их работе на выходе получаются водяные пары, тепловая и электроэнергия. Такая система намного чище, не загрязняет окружающую среду выхлопными газа или токсичными веществами.

Область применения водородных элементов велика:

• от транспортных средств до отопления и электрификации домов;
• от аварийного электропитания различных служб и учреждений, до батарей для портативных ноутбуков и планшетов.

По своим характеристикам и КПД водородные элементы намного превосходят традиционные двигатели внутреннего сгорания. Не удивительно, что разработчики и конструкторы крупных производственных корпораций предлагают все новые, эффективные решения, а также виды техники и оборудования, работающие на водороде.

Топливные элементы на водороде – технологии будущего

По мнению специалистов Инжиниринговой Компании «2К», за водородными топливными батареями стоит огромное будущее. Если XX век прошел под знаком двигателей внутреннего сгорания, то в ближайшие несколько десятилетий прогнозируется переход на экологичные и экономичные водородные системы. Основные принципы, на которых работают современные элементы, были открыты еще в тридцатые годы XIX века. Однако, прошло больше ста лет, прежде чем люди научились применять электроэнергию, получаемую при соединении водорода и кислорода. Водородные топливные системы уже доказали свою эффективность. Их используют в автобусах и вилочных погрузчиках, работающих на предприятиях питания, в цехах с определенным микроклиматом. Сфера их применения распространяется на водный транспорт, летательные и космические аппараты, подводные лодки и военную технику. Данный тип топливных элементов имеет разные размеры, поэтому их подбирают по сфере использования и необходимой мощности. При весе 10 кг выдаваемая мощность составляет 5 кВт. Такие изделия применяются на различных видах техники, для электропитания стационарных объектов, домов. Миниатюрные источники используют в мобильных устройствах, ноутбуках, для небольших нагревательных приборов. По сравнению с привычными литий-ионными батареями они более компактны, выдают больше энергии, а служат намного дольше.

Описание водородного топливного элемента

В отличие от общеизвестных генераторов электротока, водородные генераторы не содержат движущихся механизмов, валов и роторов. Следовательно, работают они совершенно бесшумно, без вибраций. Конструкция устройства представляет своего рода батарею, работающую на электрохимических принципах. В нем есть два электрода: анод с отрицательным знаком и катод с положительным. Они разделены протонопроводящим электролитом или мембраной. В процессе работы на катод поступает кислород из окружающей среды, а на анод – водород в виде газа из резервуара. Происходит электрохимическая реакция, в результате которой получается электроток, небольшое количество тепла и воды.

• Водород теряет свои электроны, после чего его ионы притягиваются к катоду.
• Электроны, в свою очередь, попадают во внешнюю электросеть, создавая постоянный ток, питающий оборудование.
• Кислородные молекулы на катоде объединяются с водородными протонами и электронами, образуя в результате воду.

Источником топлива может служить разное сырье: вода, метан, природный газ, биогаз. При этом строгой чистоты газа не требуется. Существует два типа топливных элементов на водороде – низкотемпературные и высокотемпературные. Первые работают на чистом водороде, который сложнее получить. Второй тип менее требователен к качеству топлива. Наиболее перспективными на сегодняшний день считаются водородно-воздушные топливные элементы, на которых установлены специальные протонопроводящие мембраны.

В чем заключается выгода использования водородных ячеек

По мнению специалистов Инжиниринговой Компании «2К», топливные элементы, работающие на водороде, обладают следующими уникальными качествами:

• Высокий уровень КПД и безопасность.
• Возможность беспроблемной эксплуатации в любых температурных режимах, включая сильную жару и сибирские морозы.
• Водородные элементы не склонны к саморазрядке. Они держат заряд на заявленном уровне в течение всего срока эксплуатации, работают, пока есть источник топлива, то есть, водород и кислород.
• Срок службы элементов составляет 10-15 лет, в отличие от обычных аккумуляторов, которые необходимо перезаряжать или выбрасывать через 2-5 лет.
• Полностью отсутствуют звуки работы двигателя, вибрации, тепловые пятна.
• Так как в изделиях полностью отсутствуют движущиеся или расходные части, они очень надежны и долговечны. Не требуют ремонтов, замены расходников, смазки или регулярного ТО. Вероятность выхода из строя водородного топливного элемента составляет 0,00001%, что ничтожно мало.
• Время автономной работы элемента можно корректировать в большую или меньшую сторону, меняя количество или объем водородных резервуаров.
• Не наносит вред природе, окружающим людям, самому владельцу техники.
• Выделяющееся в процессе работы батарей тепло можно использовать на обогрев зданий, сооружений, обеспечения климат-контроля в транспортном средстве.
• Широчайшая область применения. Именно на таких элементах сегодня производят двигатели для БПЛА и космических станций, источники бесперебойного питания для цифровой аппаратуры, портативные, экологичные батареи высокой энергоемкости.

По мнению экспертов Объединенного инжинирингового центра, на сегодня есть только один минус данного типа топливных элементов – высокая стоимость. При изготовлении изделий используются катализаторы из платины, что сказывается на цене конечного продукта. Компании-разработчики ведут поиск альтернативного сырья со сходными характеристиками. Возможно, в скором времени водородные батареи перейдут из высшей ценовой категории в бюджетный, доступный для всех, сектор.

Зарядка водородных топливных элементов с помощью станций

Как и привычному автотранспорту, работающему на бензине, дизельном топливе или газе, водородным машинам требуются свои АЗС. Благодаря современному оборудованию, среднее время заправки составляет 3-5 минут, в зависимости от емкости резервуара. Водородные заправочные станции делятся на три категории.

• Стационарные. Располагаются возле оживленных автотрасс, населенных пунктов. Заехав на такую станцию, любой автовладелец может приобрести нужное количество водорода. Газ производится непосредственно на месте, или привозится. Как правило, владельцы заключают договора с химическими заводами, которые специализируются на производстве водорода, или вырабатывают его в качестве побочного продукта.
• Мобильные. Состоят из резервуара, в которой хранится сжатый водород, и станции, вырабатывающей газ. Их можно транспортировать с места на место, устанавливать в закрытых помещениях или на улице (контейнерный тип). Станции предназначены для заправки техники в местах, где нет доступа к водородной инфраструктуре.
• Домашние. Являются полноценной альтернативой стационарных АЗС и активно используются в тех регионах, где водородные автозаправки отсутствуют или не получили широкого распространения. Компактная станция способна производить от 200 до 1000 кг водорода в год. Этого достаточно для того, чтобы ежедневно заправлять до пяти машин в сутки. Процесс выработки прост: водород получают методом электролиза обычной водопроводной воды. Если установлен двухтарифный счетчик, то включение установки в ночное время позволяет сэкономить на оплате электроэнергии.

Концерн «Хонда» предлагает собственное, альтернативное решение энергетического вопроса: домашнюю станцию, вырабатывающую водород из природного газа. Универсальная установка с избытком обеспечивает электроэнергией и теплом частные дома, коттеджи, а часть водорода остается для заправки водородных автомобилей. Работы в этом направлении ведут также компании «Тойота», «ITM Power Plc» и «General Motors». Российский союз инженеров предлагает обратить внимание на инновационные разработки по получению водорода из воды, природного или нефтяного газа, керосина. Они изящно решают наболевший энергетический вопрос и способствуют распространению экологичных, современных видов транспорта.

Уже существующие автомобили с водородным топливным элементом

Несмотря на неотработанную пока систему заправки автомобилей с водородными топливными элементами, компании-производители уже представили на суд потребителей передовые разработки. Наиболее удачной моделью оказалась машина марки «Toyota Mirai». По мнению специалистов Инжиниринговой Компании «2К», также стоит обратить внимание на водоробуса выпущенный ПАО «КАМАЗ». Который уже совсем скоро совершит свои первые рейсы по Москве. Машина оснащена двумя моторами, с совокупной мощностью 113 кВт. Передние колеса работают за счет батареи топливных водородных элементов. Ее мощность составляет около 92 кВт. А от двигателя с батареей мощностью 21 кВт привод идет на заднюю ось. При разгоне машина подпитывается от батареи, которая подзаряжается при торможении. Чтобы разогнаться до скорости сто километров в час, требуется менее десяти секунд – это очень хороший показатель по мнению экспертов Объединенного инжинирингового центра.

На данный момент развитой системой заправочных станций для водородных автомобилей могут похвастаться Япония, США и Австралия. Германия обещает через несколько лет довести количество водородных АЗС до 4000. Осваивается массовый выпуск мобильных и домашних зарядных станций. Можно надеяться, что в ближайшее время интерес к экологичным, комфортабельным автомашинам, работающим на водородных топливных элементах, будет стремительно расти.

Инжиниринговая Компания «2К» www.ik2k.ru, Российский союз инженеров www.rusue.ru