Ученые сейчас тестируют топливный элемент Toyota Mirai, которая использует сверхчистый водород, изготовленный с использованием мембранной технологии CSIRO. CSIRO, аббревиатура Научной и Промышленной Исследовательской Организации Содружества (англ. Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), является независимым австралийским федеральным правительственным агентством, ответственным за научные исследования.
Водород трудно транспортировать и хранить. Газообразный водород можно транспортировать по трубопроводу, но он имеет тенденцию к повреждению стали и требует значительной толщины стенки трубы, чтобы гарантировать, что он не просочится. Водород очень легко воспламеняется и его трудно транспортировать из-за его низкой плотности. Эти проблемы логистики всегда были камнем преткновения.
Например, аммиак можно хранить при комнатной температуре и легко превращать обратно в водород путем пропускания его через катализатор для выделения водорода и газообразного азота. CSIRO успешно провела испытания своих технологий с аммиаком и водородом на автомобилях Toyota с топливным элементом.
Ключ к проекту CSIRO основан на другом подходе, основанном на запатентованной технологии мембранного сепаратора, разработанной доктором Майклом Доланом. Его мембрана из ванадиевого сплава трансформируется для преобразования процесса разделения водорода, а также позволяет использовать аммиак в качестве средства переноса сверхлегкого водорода. Тонкая металлическая мембрана позволяет водороду проходить, блокируя все другие газы и используя разложившееся сырье для аммиака, оно позволяет преобразование H2 за один шаг. Это позволяет маленькому заводу без движущихся частей работать в непрерывной работе.
Аммиак (NH3) обладает высокой плотностью хранения атомов водорода — 17,6% по массе при объемной плотности на 45% больше, чем жидкий H2. Его часто предлагали в качестве носителя, учитывая, что он является стабильным и может храниться в баках под давлением так же, как и пропан или другие виды топлива. Тем не менее, большое количество энергии, необходимой для создания и / или отделения молекул аммиака до сих пор уменьшало любое дальнейшее практическое применение данного метода.
Доктор Долан говорит: «Наша философия разработки заключалась в том, чтобы максимально использовать недорогие материалы и методы массового производства (например, экструзию металлических труб и гальванопокрытие). Сама мембранная подложка представляет собой плотную трубку недорогого ванадиевого сплава, которая имеет толщины стенки ~ 0,2 мм и диаметр 10 мм. Затем на внутренней и внешней поверхности наносят каталитический слой».
Аммиак хранится в баке при температуре окружающей среды. Поэтому большая часть аммиака является жидкостью. Однако ему, как и любому другому жидкому веществу присуща возможность испарения, что создает давление в баке от 5 до 10 атмосфер, в зависимости от температуры. Затем пар из бака нагревают до 400 ° С и пропускают через слой катализатора, который затем разлагает аммиак на азот и газообразный водород. После чего эту смесь пропускают через мембрану. Водород проходит через мембрану, и азот нет (рисунок выше). Этот процесс конверсии происходит на заправочной станции.
Система требует тепла для проведения процесса эндотермического разложения, а потеря давления означает, что водород необходимо пропускать через компрессор для использования в топливных элементах (хотя он может использоваться при атмосферном давлении при стационарной выработке электроэнергии).
Долан добавил: «Как и в большинстве процессов разделения газов, получение полезного продукта (H2) никогда не происходит на 100%. Обычно мы будем работать с КПД порядка 85%, но это зависит от времени и желаемого результата». Тем не менее, существуют методы повышения эффективности получения водорода данным методом. «Не дополученная энергия не будет потрачена впустую. Газ, который выделится после отделения водорода, содержащий в основном азот (N2) с не до конца выделенным H2 и не прореагировавшим NH3, может быть сжижен для создания тепла, необходимого для разложения аммиака, или его можно подавать на дополнительное устройство, например, на высокотемпературный топливный элемент, двигатель внутреннего сгорания или турбину для выработки электроэнергии», — сказал Долан.
Исполнительный директор CSIRO доктор Ларри Маршалл сказал: «Это важный момент для энергетики, и мы с нетерпением ждем применения инноваций CSIRO, чтобы этот захватывающий возобновляемый источник топлива и энергоносителей стал более плавным путем выхода на рынок водородных элементов».
«Нефтяная и газовая промышленность тоже сейчас пробуждает потенциал водорода как коммерческую возможность, а инвестиции в такие технологии, как CSIRO, теперь будут играть ключевую роль в развитии экономики. Долан считает, что изменение уже видно; «Возобновляемый водород станет более важным направлением в долгосрочной перспективе, и большинство крупных нефтяных и газовых компаний уже объявили о крупных инвестициях и партнерских отношениях для содействия этому переходу. Использование аммиака в качестве водородного носителя является одной из самых крупных новых возможностей».
Toyota Mirai
Toyota Mirai (японский автомобиль «будущего») использует водородный топливный элемент (FCV) с выходной мощностью 3,0 кВт / л, обеспечивающий выходную мощность более 100 кВт. Он использует запатентованную, небольшую, легкую топливную ячейку Toyota и два водородных хранилища под высоким давлением 70 МПа, расположенные под специально разработанным корпусом. (Toyota начала разработку технологии FCV еще в 1992 году).
Концепция FCV также применяет части технологии Hybrid Synergy Drive от Toyota, включая электродвигатель, блок управления силовой электроникой и другие компоненты и части своих гибридных автомобилей, чтобы повысить надежность и минимизировать затраты. Кроме того, гибридная технология используется для работы с топливным элементом.
На низких скоростях движения, таких как городское вождение, FCV работает точно так же, как и любой электромобиль, используя энергию, накопленную в батарее, которая заряжается за счет рекуперативного торможения. На более высоких скоростях только водородный топливный элемент питает электродвигатель. Когда требуется больше энергии, например, при внезапном ускорении, батарея поддерживает систему топливных элементов, так как все работают вместе для обеспечения необходимого ускорения.
Mirai использует стек, ускоритель FC и резервуары для водорода под высоким давлением (рисунок выше). Mirai ускоряется от 0 до 97 км / ч (от 0 до 60 миль / ч) за 9,0 секунды. Заправка бака топливом занимает от 3 до 5 минут, а Toyota анонсирует расстояние 480 км (300 миль) на полном баке.
Кнопка, обозначенная как H2O, открывает затвор в задней части Mirai, сбрасывая водяной пар, который образуется из реакции водород-кислород в топливном элементе. Выброшенный H2O, или объем воды, составляет 240 мл на 4 км пробега. Система топливных элементов Toyota оснащена технологией топливных элементов и технологией гибридного автомобиля включает запатентованные компоненты Toyota, включая топливный элемент (FC). (Один килограмм водорода примерно эквивалентен одному галлону бензина в США).
Тяговый электродвигатель обеспечивает мощность 113 кВт (152 л.с.) и 335 Нм крутящего момента. У Mirai имеется никель металл-гидридная (NiMH) аккумуляторная батарея мощностью 245 Вт (1,6 кВтч). Эффективность производства электроэнергии повышается за счет использования каналов потока тонкой сетки 3D. Эти каналы, расположенные в тонкой трехмерной решетчатой структуре, усиливают дисперсию воздуха (кислорода), тем самым обеспечивая равномерную генерацию электричества на поверхностях клеток. Каждый стек содержит 370 (однострочные штабелирующие) ячейки с толщиной ячейки 1,34 мм и массой 102 г. У Mirai появился новый компактный (13-литровый) высокопроизводительный инвертор большой емкости, разработанный для увеличения напряжения, генерируемого в стеке Toyota FC до 650 В (рисунок ниже).
Mirai имеет два водородных резервуара с трехслойной структурой из углепластика, состоящего из нейлона 6 и других материалов (рисунок ниже). Баки, которые хранят водород при давлении 70 МПа (10000 фунтов на квадратный дюйм), имеют общую массу 87,5 кг (193 фунта) и 5 кг.
Безопасность
Mirai подвергся обширным испытаниям на устойчивость к авариям, чтобы оценить конструкцию, специально предназначенную для устранения лобовых, боковых и задних ударов, и обеспечить отличную защиту пассажиров транспортных средств. Также был достигнут высокий уровень безопасности при столкновениях, который помогает защитить батареи топливных элементов и резервуары высокого давления от деформации.
Водородные баки высокого давления демонстрируют отличные характеристики, прочность и долговечность предотвращения проникновения водорода. Датчики водорода обеспечивают предупреждения и могут перекрывать основные запорные клапаны. Резервуары водорода и другие, связанные с водородом детали, расположены вне кабины, чтобы гарантировать, что если утечка водорода все же произойдет, он легко будет выброшен наружу автомобиля.
Конструкция автомобиля усилена армированными углеродными волокнами- полимерами и предназначена для рассеивания и поглощения энергии удара по нескольким частям. Это помогает обеспечить высокий уровень безопасности, которая защищает баки Toyota FC и резервуары высокого давления во время фронтальных, боковых или задних ударов.
Оставьте комментарий