Разработка КЭУ на базе ЭХГ алюминий-воздух. В ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» проводились работы по созданию электромобилей с КЭУ на базе ЭХГ − полутопливного элемента алюминий-воздух

В ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» проводились работы по созданию электромобилей с КЭУ на базе ЭХГ − полутопливного элемента алюминий-воздух. Основу алюминий-воздущного электрохимического генератора составляют полутопливные элементы, теоретическая удельная энергоемкость которых (по алюминию) превышает 8000 Вт∙ч/кг. Конечно, реально достигнутые значения гораздо меньше, 180-250 Вт∙ч/кг, поскольку большую часть его полной массы составляют вспомогательные системы обеспечения работы полутопливных элементов. Но это уже значительно больше, чем у кислотных батарей.

Алюминий воздушный ЭХГ, в случае его установки на электромобиле, должен иметь системы технического и технологического обеспечения (терморегулирование, циркуляция электролита и отвод теплоты из зоны реакции, очистка и подача воздуха в батареи элементов под избыточным давлением, управление генератором при его работе, пуске и останове и т.д.).

Электрохимические генераторы рассматриваемого типа уже есть. Их испытания показывают, что в условиях эксплуатации длительность процесса замены алюминиевых электродов составляет 25-30 мин. Восстанавливать электролит и удалять продукты электрохимических реакций нужно ежедневно, в конце рабочей смены. В дальнейшем, по прогнозу НПК «Альтэн», периодичность восстановления электролита и удаления продуктов реакций может быть доведена до одного раза в неделю.

Приведённые показатели имеют, в частности, воздушно-алюминиевый электрохимический генератор 88ВА-240, разработанный НПК «Альтэн». Его показатели, а также показатели перспективного (1996 г.) образца генератора и лучшего зарубежного образца «Элтэч» США приведены в таблице 5.4.

Таблица 5.4

Основные показатели образцов электрохимических генераторов

Из таблицы 5.4 видно, что удельная мощность разработанных электрохимических генераторов пока еще в 2-4 раза ниже требуемой для обеспечения движения электромобиля, а потому в силовых установках, повторяем, необходима буферная аккумуляторная батарея. Для того чтобы оценить, какая именно, НПК «Альтэн» и НАМИ разработали и реализовали методику моделирования и аналитических исследований процессов движения электромобиля по типовым испытательным циклам, имитирующим городские условия эксплуатации. С её помощью установлено, что для восстановления расхода ёмкости буферной батареи к началу каждого последующего цикла нужно, чтобы разность её ЭДС и ЭДС электрохимического генератора была достаточной для обеспечения требуемого тока заряда батареи. Во-вторых, ёмкость и мощность разряда и подзаряда батареи должны давать положительный баланс электроэнергии на протяжении всех циклов вплоть до полного разряда основного источника тока − электрохимического генератора. Если эти условия не выполняются, то запас хода электромобиля вследствие глубокого разряда буферной батареи окажется ограниченным, а ёмкость и запас энергии электрохимического генератора останутся недоиспользованными.

Расчеты проводились применительно к электромобилям грузоподъемностью 0,8-1,0 т (микроэлектробус на 10-12 пассажиров), грузоподъемностью до 0,5 т и для двухместного легкового электромобиля. В качестве расчётного был принят испытательный цикл НАМИ-2 (длина перегона 500 м, время разгона до скорости 50 км/ч 20 с, время движения с установившейся скоростью 50 км/ч 19 с, время торможения до полной остановки 14 с и время стоянки до следующего цикла 30 с).

Все исследуемые электромобили были оборудованы системами электропривода постоянного тока с тяговыми электродвигателями независимого возбуждения мощностью 12 и 16 кВт (в зависимости от класса электромобиля) и двухзонной системой управления (регуляторы в цепях якоря и обмотки возбуждения); номинальное напряжение питания 120 В. Использовались два варианта электрохимических генераторов: в одном из модулей было 88, во втором − 100 элементов. В качестве буферной батареи были выбраны никель-кадмиевая (НКТБ-80) и перспективная батарея типа никель-металлгидрид фирмы «Овоник» (США). Их начальная заряженность принималась равной 75 %. Результаты исследований приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5

Результаты исследования электромобилей

Из таблицы 5.5 видно, что наиболее эффективна на легковых электромобилях система, состоящая из воздушно-алюминиевого электрохимического генератора с 88 элементами и никель-кадмиевой батареи напряжением 108 В. В этом случае при полном использовании энергетических возможностей электрохимического генератора запас хода электромобиля без полного разряда буферной батареи достигает (по циклу НАМИ-П) 225 км и по циклу НАМИ-1 - 270 км. Для электромобилей грузоподъемностью до 0,5 и 0,8-1,5 т при использовании генератора из 88 элементов в модуле запас хода ограничен 47 и 71 км, несмотря на то, что энергетические возможности генератора используются неполностью. Обусловливается это недостаточным для подзаряда буферной батареи напряжением генератора. Для данных классов электромобилей более рациональный вариант − использование перспективного образца электрохимического генератора со 100 элементами в модуле: при этом обеспечивается не только необходимый для эксплуатации запас хода электромобилей, превышающий 180 км, но и подзаряд буферной аккумуляторной батареи. Если применить этот же генератор с аккумуляторной батареей типа никель-металлгидрид, то запас хода, как и в предыдущем случае, будет несколько больше 180 км, кроме того, производительность электромобиля возрастет на 20 %, поскольку снизится масса энергетической установки, следовательно, увеличится масса перевозимого полезного груза.

Таким образом, проведенные аналитические исследования позволяют заключить, что энергетическая установка типа «бисистема» на основе воздушно-алюминиевого электрохимического генератора и буферной аккумуляторной батареи повышенной удельной мощности действительно должна рассматриваться как средство, способствующее созданию электромобилей различных классов, предназначенных для внутригородского сообщения, мелкопартионных перевозок грузов и пассажиров.

Развитие электромобилей на базе ЭХГ водород-воздух (или металл-воздух) − одна из приоритетных задач создания экологически чистого транспортного средства. Для её решения требуются значительные финансовые затраты на создание инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию электромобилей с такими энергоисточниками. По мнению специалистов фирмы «ДаймлерКрайслер» коммерциализация транспортных средств на ЭХГ водород-воздух прогнозируется не ранее 2020 г. Некоторые структурные схемы ЭМ с КЭУ приведены на рисунке 5.10-5.15.

Рис.5.10. Схема для легкового автомобиля с топливными

элементами на метаноле

Рис.5.11. Схема для легкового автомобиля с маховичным накопителем

Рис. 5.12. Схема для грузового автомобиля с ёмкостным накопителем

Рис. 5.13. Схема для грузового автомобиля с топливными элементами

Рис. 5.14. Схема для автобуса с ёмкостным накопителем

Рис. 5.15. Схема для автобуса с ДВС на диметиловом спирте с ёмкостным
или маховичным накопителем

Работы по ЭХГ (водород-воздух) продолжаются в нашей стране. Разрабатывается проект стендовой водородной энергоустановки (СВЭУ) с ЭХГ нового типа.

Характеристики СВЭУ даны в таблице 5.6.

Таблица 5.6

Для СВЭУ была создана система хранения водорода на основе современных композиционных баллонов высокого давления, разработанных НПП «Маштест» (г. Королев). Баллоны сертифицированы на водород и их характеристики соответствуют мировому уровню:

- внутренний объем – 90 л;

- масса – 50 кг;

- рабочее давление – 400 атм.

Одновременно с созданием энергоустановок с ЭХГ, в РКК «Энергия» создавались средства их заправки рабочими газами. Для автомобилей семейства «АНТЭЛ» были созданы средства заправки на основе мультипликатора, повышающего давление водорода со стандартного (150 атм.) до необходимого (350 атм). Для систем заправки водородом автотранспортных средств различного назначения наиболее подходят (в настоящее время и на перспективу) – система генерации водорода на основе реакции гидролиза алюминия в водном растворе щелочи и система генерации водорода и кислорода на основе электролизера воды высокого давления (без компрессоров).

Указанные разработки подтвердили сохранение достаточного уровня развития ЭХГ в нашей стране.

Список литературы к главе 5

1. Эйдинов А.А. и др. Перспективы водородной энергетики для автотранспортных средств//Автотракторное электрооборудование.- 2004.- № 1-2.

2. Эйдинов А.А. и др. Электромобили с энергоустановками на основе воздушно-алюминиевого электрохимического генерара//Автомоб. пром-сть.-1996.-№5.-С. 7-10.

3. Смоленцев А.А. и др. «Создание новейших водородных технологий для наземных транспортных средств: современное состояние и прогноз на будущее». Журнал ААИ, № 4 (69) 2011, с. 39-41.

4. И.Н. Глухих, Н.И. Зеленщиков, Б.А. Соколов, А.Н. Щербаков «Электролизные установки высокого давления. Современный опыт и прогноз на будущее»//Водородная экономика и водородная обработка металлов. Труды пятой международной конференции «ВОМ-2007» Донецк 21-25 мая 2007 г. Дон. ИФЦ ИАУ, 2007, 925 с.

5. В.М. Филин, Б.А. Соколов, А.Н. Щербаков, И.П. Терентьев, А.В. Егоров, А.М. Долгин, А.В. Коровин, А.В. Десятов, В.А. Смоляров «Концепция обеспечения Лунной базы на основе солнечных батарей и аккумулчторов энергии с водородным циклом, 40-53 с//Перспективные энергетические технологии в космосе. Сб. статей под ред. Академика А.С. Коротеева, М.: ЗАО «Светлица», 2008, 208 с.

6. S. Sugawara, A. Ohma, Y. Tabuchi and K. Shinohara «Fundamental approaches to full cell»//Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (89), 2010, 89-105 с.

7. «Современное состояние дел и будущее технологий хранения водорода»// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (89), 2010, 111-115 с.

8. «Такао Асами. Автомобили с нулевым выбросом вредных веществ от мечты к реальности»// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (89), 2010, 10-13 с.