Tag Archives: топливных ячеек

Водородные технологии и концепты BMW

Efficient Dynamics – стратегия развития BMW, направленная на снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. Ее ключевые аспекты – достижение наивысшей эффективности двигателей, интеллектуальное управление потоками мощности в автомобиле, снижение аэродинамического сопротивления и облегчение конструкции. В рамках этой стратегии проводятся также исследования и испытания инновационных и альтернативных силовых установок. Спектр исследований включает в себя как классические ДВС, так и гибридные технологии, использование водорода в качестве топлива и полностью электрический привод. К двум последним разработкам относится гибрид на топливных элементах и концепт с водородным реформером. Первый позволяет передвигаться в городской черте практически с нулевыми выбросами; второй же существенно уменьшает выбросы во время прогрева двигателя. Новая гибридная платформа с водородными топливными элементами предназначена для следующего поколения Mini и переднеприводных моделей BMW и планируется к выпуску в 2014 году. В настоящее время производство таких моделей сдерживает отсутствие сети водородных заправок.

Гибрид на топливных элементах с нулевым выбросом в городе.

Изготовленный на базе BMW 1-ой серии, гибрид демонстрирует новый подход к использованию водорода в качестве топлива. Автомобиль оборудован четырехцилиндровым бензиновым ДВС, электродвигателем и вспомогательной силовой установкой (ВСУ) на основе топливных элементов. Сочетание ДВС с топливными ячейками позволяет использовать обе технологии с максимальной эффективностью. Использование водорода обеспечивает необходимую дальность хода и быструю заправку. Размер топливного элемента достаточен для обеспечения движения автомобиля на малых скоростях, в то время как ДВС идеально подходит для дальних высокоскоростных загородных поездок. В условиях городского движения электроэнергия, вырабатываемая ВСУ, запасается в суперконденсаторах. Эта энергия отдается электродвигателю при разгоне и старте со светофора. Во время торможения и движения накатом электромотор работает как генератор, возвращая энергию в суперконденсаторы. Проводимые в настоящее время исследования и испытания имеют целью довести общий пробег гибрида в городском цикле до нескольких сотен километров.

Все компоненты гибрида легко устанавливаются в стандартный трехдверный кузов BMW 1 Series. ВСУ расположена под капотом вместе с ДВС, электродвигатель занимает место заднего редуктора и приводит в движение задние колеса. 82 кВт «электрической» мощности и высокий крутящий момент обеспечивают с самого старта «спортивный дух» BMW. Батарея суперконденсаторов заняла место КПП в центральном туннеле. 120-сильный ДВС крутит передние колеса. Объем бензинового бака уменьшен, что позволяет разместить рядом бак для водорода. Таким образом, внутреннее пространство кузова не уменьшилось, и в нем по-прежнему могут разместиться пять человек. Общий же вес автомобиля вырос незначительно.

Технология низкотемпературных топливных ячеек с полимерной мембраной разрабатывалась BMW с 1997 года. С самого начала исследования были направлены на создание компактной ВСУ с максимально низким весом. Концепт BMW 750hL, представленный в начале 2000-х годов, использовал блок топливных ячеек как источник бортового питания. В настоящее время производится уже четвертое поколение ВСУ. Помимо увеличения срока службы до 5000 часов, эти устройства менее сложны, а, значит, имеют более высокую надежность. Они уверенно работают при атмосферном давлении, а их КПД достигает 58%. ВСУ быстро реагирует на изменение нагрузки. Переход от режима холостого хода до максимальной мощности занимает всего лишь 5 миллисекунд. Полимерные топливные ячейки способны работать при низких температурах. Система приходит в рабочее состояние всего лишь через 30 секунд после «холодного» старта. Исследования показали, что после нескольких сотен «холодных» пусков параметры ВСУ не изменились.

ВСУ нового гибрида обеспечивает электропитанием всех потребителей сети аналогично с концептом BMW 750hL. При этом они не отбирают мощность ДВС. Это позволяет также улучшить и некоторые функции комфорта. Например, кондиционер или медиа-системы могут работать во время стоянки, питаясь от батареи топливных ячеек. ВСУ обеспечивает небольшую мощность на протяжении длительного периода времени; энергия же, запасенная в суперконденсаторах, позволяет развивать высокую мощность в течение короткого временного отрезка. Совместная работа этих устройств позволяет добиться идеального движения в городских условиях.

Реформер : меньше выбросов при холодном пуске.

Концепт с реформером изготовлен на базе пятидверной BMW 1 серии. Известно, что наибольшее количество вредных веществ ДВС производит при холодном пуске и прогреве до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не нагреется до рабочей температуры. Разработанный BMW реформер существенно снижает выбросы. Он может работать и с бензиновыми, и с дизельными моторами. Идея заключается в том, что во время запуска и прогрева двигатель питается не обычным топливом, а газом, синтезированным из него в реформере. Конструкция реформера довольно проста. Он состоит из смесительной камеры со свечой и форсункой и катализатора. В катализаторе происходит расщепление углеводородных цепей, в результате чего синтезируется газ. Газ на 21% состоит из водорода и на 24% из окиси углерода. Этот газ подается во впускной коллектор двигателя, полностью заменяя обычное топливо на время пуска и прогрева. Поскольку такая смесь сгорает практически без остатка, вредных выбросов образуется намного меньше. Двигатель может постоянно работать на синтезированном газе, однако в таком случае резко снижается КПД, т.к. в процессе расщепления 15-20% энергии топлива теряется в виде теплоты. Однако это свойство имеет побочный положительный эффект: производимое в ходе реакции тепло быстрее прогревает двигатель до рабочей температуры. Серийному применению конструкции пока препятстсвуют ее сравнительно большие размеры и вес. Разработчики работают над тем, чтобы снизить вес реформера до 1,5 кг против нынешних 5 кг. Если это им удастся, реформер сможет заменить в дизелях дорогостоящие дополнительный нагреватель, сажевый фильтр, NOx катализатор, а в грузовых дизелях – систему SCR.

Водородные технологии и концепты BMW

Efficient Dynamics – стратегия развития BMW, направленная на снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. Ее ключевые аспекты – достижение наивысшей эффективности двигателей, интеллектуальное управление потоками мощности в автомобиле, снижение аэродинамического сопротивления и облегчение конструкции. В рамках этой стратегии проводятся также исследования и испытания инновационных и альтернативных силовых установок. Спектр исследований включает в себя как классические ДВС, так и гибридные технологии, использование водорода в качестве топлива и полностью электрический привод. К двум последним разработкам относится гибрид на топливных элементах и концепт с водородным реформером. Первый позволяет передвигаться в городской черте практически с нулевыми выбросами; второй же существенно уменьшает выбросы во время прогрева двигателя. Новая гибридная платформа с водородными топливными элементами предназначена для следующего поколения Mini и переднеприводных моделей BMW и планируется к выпуску в 2014 году. В настоящее время производство таких моделей сдерживает отсутствие сети водородных заправок.

Гибрид на топливных элементах с нулевым выбросом в городе.

Изготовленный на базе BMW 1-ой серии, гибрид демонстрирует новый подход к использованию водорода в качестве топлива. Автомобиль оборудован четырехцилиндровым бензиновым ДВС, электродвигателем и вспомогательной силовой установкой (ВСУ) на основе топливных элементов. Сочетание ДВС с топливными ячейками позволяет использовать обе технологии с максимальной эффективностью. Использование водорода обеспечивает необходимую дальность хода и быструю заправку. Размер топливного элемента достаточен для обеспечения движения автомобиля на малых скоростях, в то время как ДВС идеально подходит для дальних высокоскоростных загородных поездок. В условиях городского движения электроэнергия, вырабатываемая ВСУ, запасается в суперконденсаторах. Эта энергия отдается электродвигателю при разгоне и старте со светофора. Во время торможения и движения накатом электромотор работает как генератор, возвращая энергию в суперконденсаторы. Проводимые в настоящее время исследования и испытания имеют целью довести общий пробег гибрида в городском цикле до нескольких сотен километров.

Все компоненты гибрида легко устанавливаются в стандартный трехдверный кузов BMW 1 Series. ВСУ расположена под капотом вместе с ДВС, электродвигатель занимает место заднего редуктора и приводит в движение задние колеса. 82 кВт «электрической» мощности и высокий крутящий момент обеспечивают с самого старта «спортивный дух» BMW. Батарея суперконденсаторов заняла место КПП в центральном туннеле. 120-сильный ДВС крутит передние колеса. Объем бензинового бака уменьшен, что позволяет разместить рядом бак для водорода. Таким образом, внутреннее пространство кузова не уменьшилось, и в нем по-прежнему могут разместиться пять человек. Общий же вес автомобиля вырос незначительно.

Технология низкотемпературных топливных ячеек с полимерной мембраной разрабатывалась BMW с 1997 года. С самого начала исследования были направлены на создание компактной ВСУ с максимально низким весом. Концепт BMW 750hL, представленный в начале 2000-х годов, использовал блок топливных ячеек как источник бортового питания. В настоящее время производится уже четвертое поколение ВСУ. Помимо увеличения срока службы до 5000 часов, эти устройства менее сложны, а, значит, имеют более высокую надежность. Они уверенно работают при атмосферном давлении, а их КПД достигает 58%. ВСУ быстро реагирует на изменение нагрузки. Переход от режима холостого хода до максимальной мощности занимает всего лишь 5 миллисекунд. Полимерные топливные ячейки способны работать при низких температурах. Система приходит в рабочее состояние всего лишь через 30 секунд после «холодного» старта. Исследования показали, что после нескольких сотен «холодных» пусков параметры ВСУ не изменились.

ВСУ нового гибрида обеспечивает электропитанием всех потребителей сети аналогично с концептом BMW 750hL. При этом они не отбирают мощность ДВС. Это позволяет также улучшить и некоторые функции комфорта. Например, кондиционер или медиа-системы могут работать во время стоянки, питаясь от батареи топливных ячеек. ВСУ обеспечивает небольшую мощность на протяжении длительного периода времени; энергия же, запасенная в суперконденсаторах, позволяет развивать высокую мощность в течение короткого временного отрезка. Совместная работа этих устройств позволяет добиться идеального движения в городских условиях.

Реформер : меньше выбросов при холодном пуске.

Концепт с реформером изготовлен на базе пятидверной BMW 1 серии. Известно, что наибольшее количество вредных веществ ДВС производит при холодном пуске и прогреве до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не нагреется до рабочей температуры. Разработанный BMW реформер существенно снижает выбросы. Он может работать и с бензиновыми, и с дизельными моторами. Идея заключается в том, что во время запуска и прогрева двигатель питается не обычным топливом, а газом, синтезированным из него в реформере. Конструкция реформера довольно проста. Он состоит из смесительной камеры со свечой и форсункой и катализатора. В катализаторе происходит расщепление углеводородных цепей, в результате чего синтезируется газ. Газ на 21% состоит из водорода и на 24% из окиси углерода. Этот газ подается во впускной коллектор двигателя, полностью заменяя обычное топливо на время пуска и прогрева. Поскольку такая смесь сгорает практически без остатка, вредных выбросов образуется намного меньше. Двигатель может постоянно работать на синтезированном газе, однако в таком случае резко снижается КПД, т.к. в процессе расщепления 15-20% энергии топлива теряется в виде теплоты. Однако это свойство имеет побочный положительный эффект: производимое в ходе реакции тепло быстрее прогревает двигатель до рабочей температуры. Серийному применению конструкции пока препятстсвуют ее сравнительно большие размеры и вес. Разработчики работают над тем, чтобы снизить вес реформера до 1,5 кг против нынешних 5 кг. Если это им удастся, реформер сможет заменить в дизелях дорогостоящие дополнительный нагреватель, сажевый фильтр, NOx катализатор, а в грузовых дизелях – систему SCR.

Toyota FCV Mirai

 

Toyota взяла твердый курс на водородные технологии. Глава корпорации Такеши Учиямада (Takeshi Uchiyamada) заявил, что водород и водородные топливные ячейки изменят правила игры в социальном и экономическом плане, а водород станет топливом будущего. Именно поэтому тойотовцы назвали свое творение Mirai, что означает «будущее». В Toyota уверены, что Mirai – это автомобиль, который откроет дверь в будущее для их компании.

Toyota Mirai – четырехдверный среднеразмерный переднеприводной седан на топливных элементах, который может составить полноценную конкуренцию автомобилям с ДВС. На его заправку уходит всего лишь 3-5 минут, а дальность поездки достигает 482 км. Топливные ячейки Mirai могут работать при температуре до 30 градусов мороза. Силовая установка ускоряет Mirai до 100 км/ч за 9 секунд, разгон с 40 до 65 км/ч занимает 3 секунды, а максимальная скорость составляет 178 км/ч.

Основные элементы TFCS

 

В Mirai используется фирменная система Toyota Fuel Cell System (TFCS), использующая технологии топливных ячеек и гибридные технологии. Она включает в себя также собственные разработки Toyota: блок топливных ячеек (FC Stack), повышающий преобразователь (FC boost converter) и водородные баллоны высокого давления. TFCS намного энергоэффективнее ДВС и не выделяет при работе CO2 и канцерогенных веществ.

Toyota FC Stack

 

Максимальная мощность нового блока топливных элементов достигает 114 кВт (153 л.с.). Эффективность генерации электричества повышена за счет использования тончайших 3D каналов. Каналы расположены в тонкой трехмерной решетчатой структуре и повышают дисперсию воздуха (кислорода), что позволяет достичь равномерной выработки электроэнергии на поверхности ячеек. Это, в свою очередь, обеспечивает компактные размеры и высокий уровень производительности – плотность выходной мощности достигает 3,1 кВт/л или 2 кВт/кг. Это один из самых высоких показателей в мире. Каждый блок состоит из 370 ячеек толщиной 1,34 мм и весит 102 грамма. В отличие от предыдущих устройств, разработанных Toyota, новый FC Stack не требует применения увлажнителя. Значительного сокращения стоимости топливных элементов удалось добиться также за счет уменьшения использования драгоценных металлов (количество платины в катализаторе снизилось на две трети, а обработка поверхности золотом была исключена). Батарея топливных элементов располагается под передними сиденьями.

FC Boost Converter

Новый компактный (13-литровый), высокоэффективный преобразователь большой емкости был разработан для повышения энергии, генерируемой батареей топливных ячеек, до 650 В. Увеличение напряжения позволило уменьшить размер электродвигателя и количество блоков топливных элементов, что привело к снижению общей стоимости системы. Преобразователь расположен непосредственно перед батареей топливных элементов.

Водородные баллоны высокого давления

Два баллона, имеющие трехслойную структуру, изготовлены из пластика, армированного углеродным волокном и других материалов. Водород хранится в них под давлением 70 МПа (около 700 бар). Трехслойная структура включает в себя:

  • Внутренний слой: пластиковый вкладыш (предотвращает утечку водорода).
  • Средний слой: пластик, армированный углеродным волокном (структурная основа).
  • Внешний слой: пластик, армированный стекловолокном (защищает внешнюю поверхность от истирания).

 

Передний баллон вмещает 60 литров, задний – 62,4 литра. Общая масса хранимого водорода – около 5 кг. По сравнению с баллонами, которые использовались в Toyota FCHV-adv, объем увеличился почти на 20% при уменьшении веса и размеров. Плотность хранения водорода достигает 5,7% (самый высокий показатель в мире).

Электродвигатель и батарея

Силовая установка включает в себя также электродвигатель, блок управления мощностью и никель-металлгидридную (NiMH) батарею. Электромотор развивает мощность 113 кВт (152 л.с.) и 335 Нм крутящего момента.

Безопасность

Toyota начала разработку топливных ячеек в начале 1990-х и создала ряд «водородных» автомобилей, общий пробег которых составил свыше 1,6 млн. км. Водородные баллоны из углеволокна не раз подвергались испытаниям в краш-тестах. Весь накопленный опыт отражен в безопасности и надежности Mirai. В центре безопасности Toyota автомобиль был подвергнут обширным краш-тестам, включающим фронтальные, боковые и задние удары. Структура кузова спроектирована таким образом, чтобы энергия удара распределялась и поглощалась несколькими его элементами.

Особое внимание было уделено защите водородных баллонов и батареи топливных элементов при деформациях кузова. Баллоны оснащены датчиками водорода, которые подают сигнал тревоги и перекрывают запорные клапаны в случае утечки. Все элементы, содержащие и подающие водород, размещены вне пассажирского салона, что обеспечивает, в случае утечки, его быстрое рассеивание в окружающей среде.

Каркас блока топливных элементов изготовлен из недавно разработанного термопластичного армированного углеродным волокном пластика. Это легкий, прочный и легко внедряемый в массовое производство материал. Он защищает FC Stack, поглощая удары от неровностей дорожного покрытия.