Водородный автомобиль: что это такое и как он работает

Водородные автомобили (FCEV) — новый подход к транспорту с нулевым уровнем выбросов. Интерес к этой технологии со стороны производителей машин растет, так как она имеет очень сильные преимущества перед электромобилями (BEV), в которых используются аккумуляторы. Автомобили на водороде, несомненно, будут становиться все более популярными, поэтому пора разобраться, в чем особенности этого вида транспорта.

Водородный топливный элемент

В топливном водородном элементе происходит электрохимическая реакция между водородом и кислородом. Его основными компонентами являются анод, катод и электролит.
В присутствии электролита ионы топлива (водорода) реагируют с ионами кислорода с образованием электричества, водяного пара и тепла. Эта реакция протекает при температуре 80 °С.
Более распространенное название этой реакции — холодное горение. Вырабатываемое таким образом электричество приводит в действие электродвигатель, который вращает колеса автомобиля.
Один топливный элемент имеет толщину примерно 2 мм. В водородном транспортном средстве их используются сотни. Они известны как стеки топливных элементов.

Устройство водородного автомобиля.
Модели водородного транспорта имеют ряд важных составляющих.

Вспомогательная батарея
Она обеспечивает низкое напряжение для запуска автомобиля, питания его систем и аксессуаров.

Батарея
Основной аккумулятор хранит электроэнергию, вырабатываемую при торможении. Он используется для поддержки тягового двигателя.

Преобразователь тока
Он превращает постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых батарей в постоянный ток более низкого напряжения. Преобразователь необходим для питания аксессуаров автомобиля и зарядки вспомогательной аккумуляторной батареи.

Электрический тяговый двигатель
Это основной двигатель, который приводит в движение автомобиль. Он использует электричество, получаемое от топливных элементов.

Стек топливных элементов
Группа одиночных топливных элементов, использующих водород и кислород для выработки электроэнергии. Например, водородный Hyundai Nexo имеет 440 топливных элементов.

Заправочная горловина
Крышка топливного бака немного отличается от такой же детали в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Сопло распределителя водорода крепится к специальной насадке. Пистолет-дозатор немного похож на пистолет для заправки сжиженным газом.

Топливный бак
Он хранит газообразный водород на борту транспортного средства. Водород находится под давлением 700 бар.

Контроллер силовой электроники.
Контроллер управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом на тяговую батарею, регулируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система.
Эта система поддерживает рабочий диапазон температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Принцип работы топливного водородного элемента.
В топливном элементе кислород берется из воздуха и перекачивается к катоду, а водород поступает к концу платинового анода, который действует как катализатор, отделяя положительные ионы водорода от газа. Эти ионы проходят через электролит к катоду, создавая положительный заряд. Поскольку отделенные электроны не могут проникать через электролит, они обтекают внешнюю цепь, создавая заряд, используемый для питания электродвигателя.

Побочные продукты этого процесса — вода (обычно в виде пара) и тепло. Без движущихся частей топливные элементы работают тихо и надежно. Отработанное тепло топливного элемента можно использовать для нагрева или охлаждения.

Как работает водородный автомобиль?
Водородный автомобиль, как и электрический транспорт, использует электричество для питания одного или нескольких электродвигателей, приводящих в движение колеса.
В водородном автомобиле электричество поступает непосредственно от топливных элементов или аккумулятора, в котором накапливается избыточная энергия, регенерируемая при торможении. Рекуперация энергии происходит таким же образом, как в электрических и гибридных автомобилях.
Во время движения электричество подается от топливных элементов и/или аккумуляторов к электродвигателю, приводящему в движение автомобиль. Потоком энергии управляет программное обеспечение, которое контролирует скорость и крутящий момент электродвигателя. Кроме того, оно регулирует нагрев и систему охлаждения, поддерживающую надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя и других компонентов.

В случае с водородными автомобилями чрезвычайно важен кислород, необходимый для генерации реакции. Он должен быть чистым, поэтому в водородных автомобилях есть целая система очистки от кислорода.
На первом этапе используется воздушный фильтр, который собирает частицы и химические вещества. На втором воздух проходит сквозь мембранный увлажнитель. Последним этапом является подача воздуха через газодиффузионный слой непосредственно в топливный элемент. Эта система очистки воздуха подает незагрязненный кислород к мембране электролита.

Преимущества и недостатки.
Основным преимуществом водородных автомобилей можно назвать то, что их топливные элементы не нужно перезаряжать, как батареи.
Принцип работы модели практически такой же, как у автомобилей внутреннего сгорания: подъезжаем к заправке на машине на топливных элементах, заправляемся водородом за несколько минут и уезжаем. Мы не тратим несколько часов, чтобы зарядить батареи.

Водородные автомобили также имеют преимущество перед электромобилями с точки зрения реального запаса хода. Например, один из первых доступных водородных автомобилей Toyota Mirai II преодолела 555 км по дорогам общего пользования. Производитель указывает запас хода 650 км. Кроме того, Toyota может похвастаться тем, что Mirai II очищает воздух, поступающий через воздухозаборники.Другой серийный водородный автомобиль Hyundai Nexo имеет запас хода на одном баке около 600 км.

Автомобиль на водородном топливе, несмотря на несомненные преимущества, имеет недостатки и ограничения. Первая огромная проблема — хранение водорода под огромным давлением таким образом, чтобы он не взорвался. Toyota во втором поколении Mirai справилась с этой проблемой и разработала конструкцию, защищающую бак даже в случае аварии.

На данный момент большой проблемой водородных автомобилей в России является отсутствие заправочных станций. В Германии, например, этот недостаток уже решен: заправиться водородом здесь можно в 92 точках. В США много водородных станций, но практически все они расположены в штате Калифорния.