Przyszłość serii: Rewolucyjny pakiet wodorowych ogniw paliwowych

Honda FCX Clarity

Zasada działania ogniwa paliwowego Głównymi składnikami wodorowego ogniwa paliwowego są elektrody, polimerowa membrana do wymiany protonów, która działa jak stały elektrolit i katalizator. Wodór pod ciśnieniem wchodzi na powierzchnię anody, rozkładając się na dwa jony i dwa elektrony (katalizator przyspiesza ten proces). Elektrony wchodzą do obwodu zewnętrznego, tworząc prąd elektryczny i spadają na katodę. Jednocześnie tlen dociera do katody z powietrza, które rekombinuje z jonami wodoru przechodzącymi przez membranę i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę.

Układ elektrowni Honda FCX Clarity pozwala uzyskać przestronne wnętrze, pojemny bagażnik i podwozie o ostrym prowadzeniu

Współosiowy elektryczny zespół napędowy FCX Clarity Umieszczając główny wał napędowy wewnątrz pustego wirnika za pomocą magnesów stałych, inżynierowie Hondy mogli umieścić silnik, przekładnię i układ chłodzenia w jednej obudowie

1999 Honda wprowadza pierwsze prototypowe samochody napędzane wodorem FCX-V1 i FCX-V2

2002 Prototyp FCX-V4 stał się pierwszym samochodem wodorowym dopuszczonym do użytku komercyjnego.

2004 Stan Nowy Jork zostaje drugim korporacyjnym nabywcą pojazdów napędzanych wodorem

2005 Honda wprowadza FCX drugiej generacji. Samochód zostaje przeniesiony do prawdziwej rodziny Johna Spallino

2007 Honda wprowadza FCX Clarity z ogniwem paliwowym V Flow Stack trzeciej generacji na Los Angeles Auto Show

2008 FCX Clarity staje się pierwszym produkcyjnym samochodem wodorowym

Linia montażowa FCX Clarity w fabryce w Takanesawa przypomina raczej laboratorium naukowe niż fabrykę samochodów. Wiele operacji jest wykonywanych w specjalnych ultra czystych pokojach. Najbardziej skomplikowany proces wytwarzania ogniw paliwowych i ich późniejszej instalacji w gotowych opakowaniach odbywa się w Honda Engineering w mieście Haga. Według szefa Centrum Zaawansowanego Rozwoju Hondy Katsuaku Umittsu, firma jest już w stanie produkować tysiące samochodów wodorowych każdego roku, ale ze względu na słaby rozwój infrastruktury wodorowej w ciągu najbliższych trzech lat wyda tylko 200 egzemplarzy Hondy FCX Clarity. Jak dotąd każde FCX Clarity kosztuje firmę 1 milion USD.

Umittsu jest przekonany, że za kilka lat liczba ta zostanie zmniejszona co najmniej dziesięć razy, aw przyszłości samochody napędzane wodorem będą dostępne dla masowego konsumenta.

Pierwszych pięciu szczęśliwych właścicieli FCX Clarity zostało nazwanych podczas ceremonii w Takanesawa. Okazało się, że to hollywoodzki producent Ron Yerks, aktorka filmowa Jamie Lee Curtis, biznesmen i kierowca Jim Salomon, hollywoodzka aktorka Laura Harris i jedyny właściciel modelu wodoru FCX poprzedniej generacji na świecie, John Spallino.

Żadnych chorób z dzieciństwa

Pierwszy wodór Honda FCX Clarity został pokazany ostatniej jesieni na Los Angeles Auto Show. Japończycy byli oferowani wszystkim, którzy chcieli przetestować nowy produkt w drodze, ale podczas jazdy testowej nie było w pobliżu ani jednego specjalisty technicznego Hondy: prowadzenie wodoru FCX Clarity nie wymaga specjalnego wykształcenia i szkolenia. Aby uruchomić elektrownię samochodu, wystarczy włożyć kluczyk do stacyjki i nacisnąć przycisk zasilania. Jednocześnie pod maską nie słychać dźwięku: tylko animowane skale tablicy rozdzielczej sygnalizują gotowość maszyny do ruchu. Obrotomierz na panelu z trójwymiarowym obrazem został pobrany przez wskaźnik zasilania. Kula z niebieskawym podświetleniem pośrodku informuje kierowcę o aktualnym poziomie zużycia paliwa. Ostre prowadzenie, które stało się znakiem rozpoznawczym Hondy, jego przestronne wnętrze, doskonała izolacja akustyczna, a nawet wysokiej jakości system audio pozwalają nam z pewnością powiedzieć, że nie mamy do czynienia z próbką laboratoryjną, ale z ultranowoczesnym samochodem rodzinnym, wyposażonym w najnowsze systemy elektroniczne, gotowym do szerokiej sprzedaży.

Reaktor poza zasięgiem wzroku

Zasadniczo wodorowe ogniwa paliwowe są samochodami elektrycznymi. Rzeczywiście, u tych i innych ruch odbywa się dzięki obrotowi silnika elektrycznego. Jedyna różnica polega na źródle zasilania: samochód elektryczny otrzymuje energię ze wstępnie naładowanego akumulatora, a wodór z pakietu ogniw paliwowych, w których energia elektryczna i woda są wytwarzane podczas utleniania wodoru.

Głównym składnikiem elektrowni i głównym źródłem energii FCX Clarity jest rewolucyjny pakiet ogniw przepływowych wodoru V Flow Stack trzeciej generacji. Inżynierom firmy udało się stworzyć zaskakująco kompaktowy i wydajny reaktor - jest on trzykrotnie lżejszy niż pakiet ogniw pierwszej generacji opracowany w 1999 roku, prawie trzykrotnie bardziej kompaktowy, a jego moc właściwa jest czterokrotnie większa. Jeśli wcześniej problem optymalnego umieszczenia pakietu komórek na podwoziu mylił projektantów, teraz małe metalowe pudełko wielkości komputera systemowego łatwo mieści się w centralnym tunelu. W nowym stosie V Flow kanały gazowe są o 17% cieńsze. Gazy źródłowe przechodzą przez ogniwa pionowo, od góry do dołu: ten układ upraszcza odprowadzanie wody z warstw generujących ogniwo, co jest niezwykle ważne dla stabilnego procesu wytwarzania energii elektrycznej. Ale co ważniejsze, w projekcie pakietu V Flow Stack do dostarczania gazów roboczych do elektrod i wydajnego chłodzenia ogniw, nie jest to proste, jak poprzednio, ale stosowane są kanały przewodzące w kształcie fali.

Na fali wydajności

Faliste kanały separatora są kluczowym elementem w pakiecie kilkuset płaskich ogniw paliwowych zmontowanych jako kanapka. Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod oddzielonych błoną elektrolityczną membraną i dwóch warstw dyfuzyjnych, po jednej na anodę (wodór) i katodę (elektroda tlenowa).

Każde ogniwo jest izolowane od innych sąsiednich komórek przez oddzielenie warstw-separatorów penetrowanych przez najlepsze podobne do fali kanały, które dostarczają wodór i tlen do elektrod. Oddzielny pionowy kanał przeznaczony jest do odprowadzania wody z powierzchni elektrod. Kanały przewodzące gaz w warstwie separatora są zorientowane pionowo, a poziome podobne do fali kanały systemu chłodzenia splatają je jak włókna w tkaninie. Falisty kształt zwiększa objętość kanałów o rząd wielkości i powoduje turbulencję gazów niezbędną do ich skutecznego rozkładu na powierzchni. Wydajność ogniw w nowym pakiecie V Flow Stack nowego FCX Clarity jest o 10% wyższa niż w przypadku komórek poprzedniej generacji.

Dla normalnej pracy ogniw decydujący jest stabilny reżim temperaturowy. Falowy kształt kanałów pozwolił zmniejszyć ich liczbę o połowę. Jeśli wcześniej był jeden kanał na ogniwo, teraz jeden kanał z chłodziwem usuwa nadmiar ciepła z dwóch ogniw jednocześnie. W rezultacie japońskim inżynierom udało się zmniejszyć rozmiar całego pakietu o 20% długości i 30% wysokości. Skuteczny pionowy drenaż wody wytworzonej podczas reakcji utleniania wodoru radykalnie poprawił wydajność opakowania w niskich temperaturach. Nowy FCX Clarity uruchamia się spokojnie w temperaturze -30 ° C, a czas potrzebny do ogrzania torby do optymalnej temperatury pracy jest czterokrotnie niższy.

Nadziewany silnik

Kolejnym krokiem po poprawie wydajności akumulatora była poprawa silnika - silnika elektrycznego prądu stałego. Dwa lata wcześniej inżynierowie Hondy stworzyli przyzwoitą jednostkę dla samochodu elektrycznego EV Plus, a kierownictwo projektu zdecydowało się na jego zmodyfikowaną wersję ze współosiową zintegrowaną skrzynią biegów w FCX Clarity.

Wirnik z magnesem trwałym jest pusty; główny wał napędowy przechodzi do środka. Liczba magnesów została zmniejszona z 12 do 8, aby zwiększyć wytrzymałość konstrukcyjną wewnątrz wirnika, zainstalowano środkowy usztywniacz. Nowe magnesy zapewniają o 20% lepszy właściwy moment obrotowy i o 50% wyższą moc jednostkową niż standardowy silnik elektryczny EV Plus. Wał wirnika otrzymał nowe łożyska wzdłużne, co pozytywnie wpłynęło na właściwości dynamiczne silnika. Eksperci zauważają, że charakteryzuje się zaskakująco cichą i miękką pracą w całym zakresie prędkości do 12500 obr./min.

Współosiowy układ silnika, zwartej przekładni i jednostki napędowej (PDU), który odpowiada za zmianę charakterystyki zasilacza do elektrowni, umożliwił montaż wszystkich trzech tych elementów w jednym przypadku ze wspólnym układem chłodzenia. W rezultacie silnik i przekładnia nowego FCX Clarity są o 16 cm krótsze i 24 cm krótsze niż w poprzedniej generacji. W tym samym czasie maksymalna moc instalacji wzrosła o 20% i wyniosła 134 KM. Moment obrotowy jest przestrzegany nawet przez właścicieli samochodów z silnikiem Diesla - pełne 256 N • m przy najniższych prędkościach.

Rezerwa energetyczna

Koncepcyjny model roku Honda FCX 2005 został wyposażony w dwa zbiorniki wodoru, a nowy FCX Clarity ma tylko jeden. Ale inżynierom udało się zwiększyć jego użyteczną pojemność, zmniejszając rozmiar o 24%. Odtąd wszystkie jednostki pomocnicze układu zasilania paliwem - zawory, skrzynia biegów i układ kontroli ciśnienia - są w jednej obudowie. Liczba części w systemie elektroenergetycznym jest zmniejszona o 74%. Teraz kompaktowy, trwały zbiornik z aluminium i włókna węglowego znajduje się za tylnymi siedzeniami samochodu, zachowując prawie całą użyteczną przestrzeń bagażnika. Maksymalny przebieg pojazdu na jednym zbiorniku wodoru wynosi 450 km. Na jednym kilogramie wodoru FCX Clarity może pokonać 116 km.

W poprzednich modelach wodorowych Honda wykorzystywała ogromny blok ultra-kondensatorów jako dodatkowe źródło i magazynowanie energii elektrycznej, umieszczone za tylnymi siedzeniami i zajmujące prawie połowę bagażnika. Ta decyzja wyraźnie nie była odpowiednia dla samochodu produkcyjnego. FCX Clarity jako pierwszy opracował kompaktowy i pojemny akumulator litowo-jonowy, który łatwo mieści się pod tylnym siedzeniem. Ponadto pochłania znacznie więcej energii z ultrakondensatorów z układu odzyskiwania energii hamowania.

Teraz prawie 60% tej energii jest zwracane do cyklu roboczego. Akumulator zapewnia zasilanie układów elektronicznych pojazdu, systemów audio i klimatyzacji, ale w razie potrzeby energia zgromadzona w akumulatorze może zostać wykorzystana do zasilania silnika przy szczytowych obciążeniach. Ładowanie odbywa się za pomocą regeneracyjnego układu hamulcowego: gdy samochód zwalnia do 57% energii kinetycznej wraca do akumulatora.

Zmniejszenie wielkości elektrowni FCX Clarity, jej wysoka moc właściwa w połączeniu z dobrą aerodynamiką ciała, doprowadziły do ​​zmniejszenia strat energii w postaci nadmiaru ciepła. Inżynierowie Hondy postanowili połączyć chłodnicę pakietu ogniw paliwowych, chłodnicę układu chłodzenia silnika i chłodnicę systemu grzewczego w jedną jednostkę z jednym wentylatorem. Testy wykazały skuteczność takiego rozwiązania. W rezultacie aż 40% użytkowej objętości zostało odzyskane pod maską samochodu.

Sam tankowanie

Jednym z głównych aspektów korzystania z samochodów napędzanych wodorem jest ograniczenie szkodliwych emisji do atmosfery. Samochód na wodór jest znacznie bardziej wydajny niż benzyna i elektryczne odpowiedniki. Ogniwo paliwowe ma sprawność około 80%, ale otrzymana energia musi być nadal przekształcona w energię kinetyczną obrotu kół samochodu. Silnik elektryczny i przekładnia mają tę samą sprawność - 80%. Tak więc samochód z wodorem ma teoretyczną sprawność 64%. Honda twierdzi, że FCX Clarity jest w 60% wydajny. Dla porównania samochód benzynowy przekształca tylko 20-30% energii zawartej w paliwie w pracę mechaniczną. Samochód elektryczny może zużywać nieco ponad 70% energii akumulatora.

Główną przeszkodą w masowym wykorzystaniu wodoru jako paliwa do samochodów jest infrastruktura. Sytuacja przypomina klasyczny dylemat: co się stało wcześniej - kurczak czy jajko? Niemożliwe jest sprzedawanie bardzo drogich samochodów napędzanych wodorem, nawet na akceptowalnych warunkach leasingu bez rozwiniętej sieci stacji paliw. Budowa sieci stacji benzynowej bez floty wodorowej jest ryzykowna. Co jeśli setki milionów nigdy się nie spłacą? Od czego zacząć

Honda oferuje swoim klientom Home Energy Station, eksperymentalną elektrownię domową, która zamienia gaz ziemny w ciepło, energię elektryczną i wodór do napędzania samochodu. Od 2003 r. Jeden z takich eksperymentalnych obiektów działa w kalifornijskim mieście Torrance. Obecnie powstała czwarta generacja Home Energy Station, znacznie bardziej kompaktowa i wygodniejsza niż pierwsze trzy. Domowa elektrownia w pełni zapewnia duży indywidualny dom elektrycznością i ciepłem, aw razie potrzeby wytwarza wodór z gazu ziemnego w celu tankowania samochodu. Japończycy zamierzają intensywnie promować Home Energy Station na rynku, tworząc pierwsze punkty wzrostu dla przekształcania samochodów napędzanych wodorem z science fiction w rzeczywistość. A jednak, jeśli weźmiemy pod uwagę trudności związane z przemysłową produkcją wodoru, możemy z pewnością powiedzieć: ścieżka samochodu z wodorem do mas nie będzie łatwa.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 9, wrzesień 2008).

Zalecane

Najszybszy samochód elektryczny na świecie: 1,5 sekundy do 100 km / h!
2019
Serpent Gorynych and urka: Roll the field. Pole minowe
2019
Jak zbudowana jest największa wywrotka
2019