Развитие топливных элементов

Некоторые изготовители автомобилей продвинули конструкцию топливного элемента ближе к реальности благодаря бортовой системе для генерации водорода из метанола. Компания Daimler-Benz, теперь работающая вместе с канадской компанией Ballard Power Systems, заявила первую в мире систему такого типа. Экспериментальное транспортное средство называется NECAR (New Electric Саг — новый электромобиль). Он базируется на модели Mcrccdcs-Bcnz класса А (рис. 5.12). В этой системе регенератор превращает метанол в водород с участием водяного пара. Водород в виде газа далее доставляется к топливным элементам для реакции с атмосферным кислородом, а топливные элементы производят электрическую энергию.

Большая привлекательность метанола состоит в том, что он может легко вписаться в существующую инфраструктуру заправочных станций бензина/ дизельного топлива и не нуждается в узкоспециализированном оборудовании или обработке. В отличие от водорода, который требует тяжелых и дорогостоящих резервуаров, метанол легко хранить па борту транспортного средства. На момент написания книги NECAR имеет пробег

приблизительно 400 км на 40-литровой заправке метанола. Рассматриваются также альтернативные источники водорода.

В результате этих разработок технология регенерации водорода из метанола позволила уменьшить габариты и повысила эффективность системы по сравнению с ранними образцами. Расположенный в задней части автомобиля класса А регенератор высотой 470 мм непосредственно полает водород в топливные элементы. Выработка водорода происходит при температуре приблизительно 280 *С. Метанол и волн испаряются, что приводит к получению водорода (Н ), углекислого газа (СО,) и окиси

углерода (СО). После каталитического окисления СО водород подается к отрицательному полюсу топливною элемента, где расположена специальная пластиковая пленка, покрытая платиновым катализатором и зажатая между двумя электродами. Преобразование водорода в положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны начинается при подаче кислорода на положительный полюс. Фольга проницаема только для протонов, поэтому на клеммах топливного элемента создается напряжение.

Батарея натрий-сера

Ведутся исследования, призванные улучшить существующую

технологию изготовления батарей и обеспечить большую плотность энергии для электрических транспортных средств (электрическая тяга будет обсуждаться в одной из следующих глав). На сегодняшний день потенциальный шаг вперед - батарея на основе соединений натрия и серы, достигшая уже стадии производства. В табл. 5.6 сравнивается потенциальная плотность энергии нескольких типов батарей. Показатель

«(Вт/ч)/кг» означает количество запасенной энергии в (ватт х час) на килограмм веса батареи.

Тип батарей Напряжение элемента Плотность энергии, Батареи, В (Вт/ч)/кг

Свинцово-кислотная 2 30 Никель-железа/кадмий 1,22 45 Никель металл гибрид 1.2 50-80 Натрий сера 2-2,5 90-100 Натрий никель хлорид 2,58 90-100 Литий 3,5 100 Топливный элемент Н2 /O2 -30 500

Таблица 5.6. Потенциальная плотность энергии нескольких типов батарей

Натрий-серные батареи недавно достигли стадии производства, в среди других внесенных в список типов имеют наибольший потенциал. Однако все типы батарей имеют определенные недостатки. Например, хранение и транспортировка водорода- общая проблема всех топливных элементов.

Натрий-серные (Na-S) батареи состоят из катода с жидким натрием, внутрь которого помешен токосъемник. Это - твердый электрод из β-алюминия. Металлическая банка, которая находится в контакте с анодом (серный электрод), окружает всю конструкцию. Главная проблема этой системы заключается в том, что рабочая температура должна быть 300-350 °С. В систему входит нагреватель мощностью несколько сот ватт. Он поддерживает температуру батареи, когда транспортное средство

не движется. Во время эксплуатации температура батареи поддерживается за счет тепла, выделяемого на внутреннем сопротивлении батареи при протекании тока.

Каждый элемент этой батареи является очень маленькой шейкой, использующей приблизительно 15 г натрия. Это - следствие мер безопасности. Если элемент поврежден, сера, окружающая катод, заставит потенциально опасный натрий преобразоваться в сравнительно безопасные полисульфиды. Преимущество маленьких элементов заключается в том, что они могут быть распределены по всему автомобилю.

Емкость каждого элемента — приблизительно 10 А/ч. Эти элементы перестают работать при разрыве в сети, данное обстоятельство следует принимать во внимание, поскольку целая цепочка элементов, используемых для создания необходимого напряжения, может оказаться недействующей. Выходное напряжение каждого такого элемента — около 2 В. На рис. 5.14 показана конструкция Na-S элемента батареи.

Проблема, которую все еще предстоит преодолеть, - материал корпуса банки, который склонен к коррозии вследствие очень агрессивной природы натрий. В настоящее время используется дорогое покрытие из хромистой стали.

Этот тип батареи, питающей электрический двигатель, становится конкурентом двигателю внутреннего сгорания. Конечно, должна быть развита инфраструктура по обслуживанию и зарядке батарей, но все выглядит многообещающим. Есть оценка, что стоимость эксплуатации электрического транспортного средства составит менее 15% от бензиновой версии, в прочем, выгоду могут свести на нее дополнительные затраты на производство.

Батарея «Свинг»

Некоторые перспективные разработки в технологии батарей представляются шагами в правильном направлении, но многие из новых методов включают использование высоких температур, Одна из основных целей исследования батарей заключается в том, чтобы разработать высококачественную батарею, которая работает при нормальной температуре. Одна из таких конструкций – батарея «Свинг» (Swing). На рис. 5.15 показан химический процесс в этой батарее.

В батарее «Свинг» используются ионы лития. Такие батареи имеют угольный анод и катод, изготовленный из окислов переходных (амфотерных) металлов. Ионы лития находятся в постоянном движении между этими очень гонкими электродами в жидком не водном электролите. Следующим шагом, запланированным компанией разработчиком, должно стать использование твердого годимерного электролита на основе окиси полиэгилена вместо жидкого электролита.

Процесс, лежащий в основе батареи «Свинг», протекает при нормальной температуре и дает очень высокое среднее напряжение элементов 3,5В. Испытания, моделирующие условия в электрических транспортных средствах, продемонстрировали уникальную плотность энергии - приблизительно 100 (Вт/ч)/кг или 200 (Вт/ч)/л.

Сложность системы накопления электроэнергии увеличивается с ростом рабочих температур, увеличением количества элементов и с присутствием смешанных или переработанных электролитов. Чтобы гарантировать надежную и безопасную работу, нужно найти ответы на все более и контроля батареи. Понятно, что это ведет к большей системы транспортного средства в целом. Исследование должно быть направлено не только на определенные методы накопления энергии, но и на комплексность и безопасность систем. На рис. 5.16 сравниваются батареи различных типов с позиций плотности энергии и факторов безопасности.

Высокотемпературные системы уже доказали свою жизнеспособность для использования в транспортных средствах. Одни прошли рил суровых испытаний, другие системы находятся в стадии подготовки к испытаниям. Натрий-серная батарея при полной емкости, которая оценивается в 20 кВт/ч, содержит приблизительно 10 кг жидкого натрия. Эти 10 кг должны быть заключены в капсулы в двух герметично закрытых контейнерах. При наличии 100 000 автомобилей получим, что в эксплуатации будет 1000 т жидкого натрия. Концепция батареи «Свинг» все еще числится в новинках, но обещает икал более спитому для не пользования в будущем.