Автомобілі з паливними комірками на водні з протонообмінною мембраною

Abstract

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.