Анотація:
Зміна клімату змістила фокус з викопного палива на чисті та відновлювані джерела енергії, а воднева енергетика стала глобальним рішенням для багатьох галузей, враховуючи автомобільний транспорт. Водневі паливні елементи (комірки), зокрема протонообмінні мембранні паливні комірки (PEMFC), є ключовими для зеленої революції завдяки високій ефективності перетворення енергії та нульовим рівнем викидів. Паливні елементи з протонообмінною мембраною використовують як паливо газоподібний водень, як окислювач – кисень з повітря, твердий електроліт і платиновий каталізатор.
Транспортні засоби на паливних комірках (Fuel-cell electric vehicles FCEVs) з використанням водню належать до транспортних засобів з нульовими викидами. В 2007 р. компанія «Toyota» випустила свій перший автомобіль з паливними комірками «Toyota Mirai» з електричним двигуном потужністю 113 кВт. Замість двигуна внутрішнього згоряння цей автомобіль має стек паливних комірок, що виробляє електричний струм. Студенти Делфтського технічного університету (TU Delft) (Нідерланди) створили гоночний автомобіль «Forze IX», який є найшвидшим гоночним автомобілем з паливними комірками на водні у світі. Автомобільні компанії «Toyota» та «Hyundai» планують виробляти 3,7 млн транспортних засобів з паливними комірками на водні до 2030 р.
У роботі описано автомобіль на водневих паливних комірках, який спроєктовано в програмному середовищі ADVISOR MATLAB. Підраховано також показники використання енергії в силових агрегатах автомобіля для різних автомобільних циклів. Найбільші втрати енергії одержано в міському циклі на паливних комірках автомобіля. Було досліджено, що за рахунок частих зупинок ефективність використання енергії паливними комірками падає до 78 %, але покращується ефективність батареї до 74 %. Моделювання в ADVISOR показує, що автомобіль на водневих паливних комірках викидає лише воду.
Паливна комірка з протонообмінною мембраною (полімерною електролітною мембраною) складається з електролітної мембрани, затиснутої між анодом (негативним електродом) і катодом (позитивним електродом). Проточні пластини (flow plates) виконують кілька важливих функцій: 1) направляють водень і кисень до електродів; 2) відводять воду і тепло від паливного елемента; 3) проводять електрони від анода до електричного кола і назад до катода.
Було досліджено і проаналізовано декілька тисяч зображень паливних комірок PEMFC з низькою і надвисокою роздільною здатністю, що дало змогу більш детально ознайомитися з процесами, що проходять всередині комірки і виявити зміни, які відбуваються з мембраною.
Анотація (англ.):
Climate change has shifted the focus from fossil fuels to clean and renewable energy sources, and hydrogen energy has become a global solution for many industries, including road transport. Hydrogen fuel cells, in particular proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), are key to the green revolution due to their high energy conversion efficiency and zero-emission operation. Fuel cells with a proton exchange membrane use hydrogen gas as fuel, oxygen from the air, solid electrolyte and platinum catalyst as an oxidizing agent.
Fuel-cell electric vehicles (FCEVs) using hydrogen are zero-emission vehicles. In 2007, Toyota produced its first fuel cell vehicle, the Toyota Mirai, with a 113 kW electric motor. Instead of an internal combustion engine, this car has a stack of fuel cells that produces electric current. In 2019, students from the Technical University of Delft (TU Delft), the Netherlands created the Forze VIII race car, which is the fastest hydrogen-powered fuel cell racing car in the world. Automobile companies Toyota and Hyundai plan to produce 3.7 million FCEVs by 2030.
The paper describes a hydrogen fuel cell vehicle, which is designed in the ADVISOR MATLAB software environment. The indicators of energy use in the power units of the car for different automotive cycles are also calculated. Most of the energy loss in the urban cycle is obtained in the fuel cells of the car. It has been found that due to frequent stops, the energy efficiency of the fuel cells drops to 78%, but the efficiency of the battery improves by up to 74%. Simulations in ADVISOR show that a hydrogen fuel cell vehicle only emits water.
A fuel cell with a proton exchange membrane (polymer electrolyte membrane) consists of an electrolyte membrane sandwiched between the anode (negative electrode) and the cathode (positive electrode). Flow plates perform several important functions: 1) direct hydrogen and oxygen to the electrodes 2) remove water and heat from the fuel cell 3) conduct electrons from the anode to the electrical circuit and back to the cathode.
Several thousand low- and ultra-high-resolution images of PEMFC fuel cells were examined and analyzed, which made it possible to get acquainted with the processes taking place inside the cell in more detail and to identify changes that occur with the membrane.