Подготовили Абрамова Екатерина Анохин Иван Борщ Пётр Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 1

Водородный транспорт это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, с газотурбинными двигателями, так и с водородными топливными элементами. Автобус Mercedes-Benz Citaro на водородных топливных элементах Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 2

Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 3

Одной из разновидностей топливного элемента, представляющего собой химический источник тока, в котором осуществляется непрерывная подача активных веществ извне в зону электрохимической реакции, является водородно-кислородный топливный элемент, работающий при обычных или слегка повышенных температурах с применение водных электролитов. Элементы этого типа характеризуются наличием изготовленных из соответствующих электропроводящих материалов (уголь, никель и др.) пористых электродов, которые частично пропитаны электролитом, но сохраняют газопроницаемость. Из известных видов ВКТЭА наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ВКТЭА, содержащий водородный газодиффузионный электрод с водородной камерой, воздушный газодиффузионный электрод с воздушной камерой, электролит, расположенный между водородным и воздушным электродами, и емкость для хранения водорода, заполненная металлогидридным сплавом. Использование воздуха в качестве окислителя и металлогидридная в качестве накопителя водорода позволяет существенно повысить удельные характеристики ВКТЭА за счет исключения кислородной емкости и снижения рабочего давления в водородной емкости. Недостаток указанного известного ВКТЭА связан с низкой обратимостью воздушного электрода при циклировании, что приводит к снижению ресурса. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 4

ВКТЭА включает водородный газодиффузионный электрод (1) с водородной камерой (2), кислородный (воздушный) газодиффузионный электрод (3) с кислородной (воздушной) камерой (4). Водородный электрод (1) на поверхности, обращенной к водородной камере, содержит металлогидридный сплав (5). Окисно-никелевый электрод (6) отделен от водородного (1) и кислородного (воздушного) (3) электродов сепараторами (8). Водородный электрод (1) и кислородный (воздушный) электрод (3) разделены щелочным электролитом (7). Кислородный (воздушный) электрод (3) через переключатель (9)соединен с окисно-никелевым электродом (6). При заряде (разряде) ВКТЭА внешний источник электрической энергии (нагрузка) подключен к электрическим выводам (10). При заряде переключатель (9) разомкнут, и происходит заряд аккумулятора с электродами (1) и (6). При разряде переключатель (9) замкнут, и происходит разряд аккумулятора с электродами (1 ),(6) и работа ТЭ с электродами (1, 3). Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 5

Данное изобретение может осуществляться в двух вариантах, причем в обоих используется загущенный электролит. В первом варианте оба электрода выполняются однослойными, частично пропитываются электролитом и работают без перепада; во втором же варианте, только один электрод, а именно кислородный (воздушный), делается однослойным, частично пропитывается электролитом и работает без перепада давления (в частности, с использованием свободной циркуляции воздуха), второй же электрод (водородный) выполняется двухслойным с пропитанным электролитом мелкопористым слоем, и работает с перепадом давления, под действием которого электролит вытесняется из крупнопористого слоя (т- е. так же, как это делается в других известных типах элементов). Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 6

Топливный элемент электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 7

Honda FCX, 2007 автомобильные топливные элементы Honda Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 8

Водородные топливные элементы устанавливаются на городской транспорт, автомобили, велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки и другие Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 9

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде создал Франсуа Исаак де Риваз (англ.)русск. ( ) в 1806 году. Водород изобретатель производил электролизом воды. BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 10

Основное преимущество внедрения топливных элементов в наземные транспортные средства (например на автомобилях): предполагаемый высокий КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД в 57 %. КПД классического свинцового аккумулятора выше до %. Но основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов. На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране. Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 11

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как компактность железнодорожных двигательных установок менее важна чем на автомобильном транспорте. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы. Еще одна выгодная возможность построить, используя топливные элементы, локомотивы сочетающие достоинства тепловоза и электровоза (способность питаться от контактной сети на электрифицированных линиях и автономность при прохождении не электрифицированных участков). Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 12

отсутствие водородной инфраструктуры (частично эту проблему можно разрешить в частности устройством домашних заправок при частных жилых домах). несовершенные технологии хранения водорода ; отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.; распространённые современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина. Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого увеличения габаритов легковых авто. (Для других классов автомобилей (автобусов, грузовых автомобилей, разнообразной специальных автомашин) проблема увеличения габаритов транспортного средства не столь остра. В частности на автобусах топливные элементы могут размещаться на крыше кузова, подобно тому как это делается например с троллейбусным электрооборудованием.) «Водородные» Toyota Highlander FCHV и Hyundai Tucson FCEV на заднем плане. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 13

Несмотря на свои небольшие размеры и массу, «ручные» БПЛА обладают достаточно высокими возможностями по ведению разводки, преимущественно в оптическом и/или инфракрасном диапазоне, а также обеспечивают передачу в реальном масштабе времени на пульт оператора развод информацию о противнике, предоставляя в распоряжение командира подразделения и даже отдельного военнослужащего текущую картинку о ситуации на поле боя. В состав полезной нагрузки данных аппаратов обычно включаются малогабаритные видео- и фотокамеры, тепловизоры. В качестве силовой установки беспилотников используется электромотор, работающий от аккумуляторной батареи, что позволяет снизить шумность аппарата и его массу, повысив вместе с тем безопасность. Но, с другой стороны, такие дроны обладают и рядом недостатков, наиболее существенным из которых является малая продолжительность полета, обусловленная небольшими габаритами и взлетной массой, не позволяющими размещать на борту электрифицированных БПЛА значительное количество источников питания. В результате мини- беспилотники, как правило, способны находиться в небе не более одного-двух часов. Конечно, для выполнения большинства задач, для которых предназначены подобные летательные аппараты, этого времени вполне достаточно: все же мини-БПЛА – это средство оперативного реагирования, «подскока», так сказать. Однако проанализировав результаты эксплуатации беспилотников данного класса, в том числе и в боевых условиях – в ходе операций в Афганистане и Ираке, американские генералы и военные эксперты пришли к выводу о необходимости увеличения продолжительности полета «ручных» дронов в 1,5–2 раза, а по возможности и больше. Для этого им и понадобились двигатели на водороде Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 14

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается и, расширяясь, истекает из двигателя с большой скоростью, создавая реактивную тягу. Воздушно-реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение аппаратов, предназначенных для полётов в атмосфере. Основные проблемы это относительна небольшая скорость и очень шумный двигатель поэтому его легко обнаружить. Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается и, расширяясь, истекает из двигателя с большой скоростью, создавая реактивную тягу. Воздушно-реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение аппаратов, предназначенных для полётов в атмосфере. Основные проблемы это относительна небольшая скорость и очень шумный двигатель поэтому его легко обнаружить. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 15

Сейчас некоторые компании пытаются подстроить дизель под БПЛА, но основной проблемой являются большие габариты и вес двигателя. Либо пытаются найти новые виды органического топлива для малогабаритных движков. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 16

Выход удалось найти – применить в качестве источника энергии водородные топливные элементы, благо, что в этой сфере в последние годы на Западе были достигнуты действительно прорывные результаты. Например, занимающаяся разработками в области создания водородных топливных элементов компания «Протонекс» не так давно продемонстрировала возможность увеличения продолжительности полета оснащенного такими топливными элементами БПЛА (взлетной массой около 6,3 кг) до девяти часов. Причем, как заявляют специалисты «Протонекса», топливный элемент и емкость с топливом вместе в размерах получаются меньше двухлитровой бутылки кока-колы. Правда, в случае с водородными элементами все же пришлось размещать на борту БПЛА еще и литий-ионный аккумулятор – для получения дополнительной энергии во время взлета и посадки аппарата. Сама же батарея подзаряжается в полете от водородного топливного элемента. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 17

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам- токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи. Приложение 14.3 к Программе 2. Водородная энергетика. Страница 18