Toyota начала серийное производство первого в мире автомобиля с
водородным двигателем
03 августа 2015 г.

Ключевые слова: Водородное топливо для автомобильного транспорта

В планах Японии: к 2015 году выпустить на дорогу 2 000 транспортных средств с топливными элементами и 15 водородных заправочных станций; 2 миллиона транспортных средств к 2025 году, с 1 000 станций дозаправки водорода. В настоящее время Хонда выпустила 60 транспортных средств с топливными элементами в Японии, и Тойота, несмотря на существующие проблемы в других областях бизнеса сообщает о политике "бизнес как обычно" для топливных ячеек.

В ноябре 2014 года компания Тойота презентовала общественности первую в мире серийную машину, работающую на водороде, которая получила название «Мирай», что с японского языка переводится как «будущее». Седан стал товарным воплощением концептуальной модели FCV Concept, представленной в 2013-м на автосалоне в Токио, а его продажи на домашнем рынке стартовали в декабре 2014 года. Водородный Мирай имеет вычурный и футуристический внешний вид, выдающий его необычность.

Особенность Тойоты Мирай заключается в новой технологии TFCS (Toyota Fuel Cell System) с использованием теплоэнергетической установки. Работа теплоэнергетической установки на топливных элементах основана на окислении жидкого или газообразного топлива без его сжигания.

Топливный элемент представляет собой устройство, которое позволяет эффективно вырабатывать электрический ток и тепло из водорода или топлива с высоким содержанием водорода посредством бесшумной и беспламенной электрохимической реакции. В отличие от других типов устройств, генерирующих электроэнергию, таких как двигатели внутреннего сгорания, турбины, сжигающие газ, мазут, уголь в топливных элементах топливо не сжигается. Следовательно нет необходимости в шумных роторов высокого давления, высокого уровня шума при выхлопе, отсутствует вибрация. Химическая энергия топлива напрямую преобразуется в электричество, тепло и воду.

В данном случае, в роли топлива система использует водород, который преобразуется в электрическую энергию посредством блока топливных частей Toyota FC Stack мощностью 114 кВт. От него энергия направляется в преобразователь FC Boost Converter, повышающий напряжение до 650 вольт. Последним звеном системы является синхронный электромотор переменного тока, генерирующий 154 лошадиные силы (113 кВт) и 335 Нм предельного крутящего момента, а дополняют действо никель-металл-гидридный аккумулятор, собирающий рекуперативную энергию, и пара баков для хранения водорода (спереди объемом 60 литров, а сзади – 62,4 литра).

Насыщенность современном оборудованием довела снаряженную массу «Mirai» до 1850 кг, но это не мешает ему развивать первую сотню за 9 секунд и 175 км/ч предельных возможностей. Полное наполнение водородных емкостей на специализированных заправочных станциях занимает всего 3 минуты, а общий запас хода достигает примерно 480 километров, при этом в атмосферу выбрасывается только вода.

Тормозной пакет сформирован дисковыми механизмами всех колес с технологией рекуперации энергии. Появление «водородного седана» в России ждать не стоит – не располагает к этому инфраструктура. В Японии реализации Тойоты Мирай начались в декабре 2014-го по цене от 6,7 миллионов иен, на рынке США автомобиль поступит в продажу в середине 2015 года, где за него минимально попросят 57 500 долларов.

 

Промышленные методы получения водорода

Есть два направления промышленного получения водорода - электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант - вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого - производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле. При электролизе большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того, удельная производительность современных установок - не более 0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количество определяется самим характером электрохимических реакций, протекающих только на поверхности электродов. Если электролиз будет широко использоваться, недостатки этого метода, по-видимому, останутся. Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующий химическую активность ионизованного газа - плазмы. В специальные установки - плазмотроны подводят газы или пары различных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этих газах или парах создают электрические разряды, образуется плазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, а от них - нейтральным молекулам. Последние переходят в возбужденное, химически активное состояние. Важное преимущество этих систем - объемный характер протекающих в них процессов. Большие скорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиваться гигантской удельной производительности плазмотронов.

 

Водородная заправочная станция

К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 стационарных водородных автомобильных заправочных станций. Из них было 46% сконцентрировано в Северной Америке (США + Канада). К концу 2008 года количество заправочных станций выросло до 175.

Заправочные станции могут самостоятельно производить водород как электролизом воды, так и риформингом углеводородов.

В США стоимость водорода, произведённого электролизом воды на заправочной станции среднего размера, состоит на 58 % из стоимости электроэнергии и на 32 % из капитальных затрат. У малой заправочной станции в стоимости водорода на долю капитальных затрат приходится 55 %, а на долю электроэнергии 35 % (Данные на 2005 год).