Автомобили с горивни клетки

Горивна клетка, наричана традиционно на български горивен елемент, е електрохимично устройство, което

Автомобил Toyota FCHV, използващ горивна клетка (горивен елемент)

преобразува химичната енергия на окисляването на дадено гориво в електрическа енергия.

Устройството на горивните елементи е подобно на това на галваничните елементи (батерии) с основната разлика, че е проектирано за непрекъснато подаване на консумираните реагиращи вещества. Например: произвеждането на електрическа енергия чрез подаване на гориво водород и кислород е непрекъснато и може да бъде постоянно, докато капацитетът на една обикновена батерия е ограничен от количество на реактантите в нея. Електродите в една батерия реагират (химически) и се променят при зареждане и разреждане на батерията, докато електродите на горивната клетка (горивния елемент) са катализаторни и са относително стабилни.

Типичните реактанти, използвани в горивната клетка (горивния елемент) са водород, подаван на анодната страна и кислород (от въздуха) на катодната страна (водородна клетка). Типично за горивните клетки е, че реагиращите вещества се втичат, а продуктите от реакцията изтичат непрекъснато и по такъв начин се осъществява дълготраен процес на производство на енергия, с виртуална продължителност, равна на продължителността на подаване на флуидите.

Поради голямата им ефективност и идеалната беземисионна работа (за разлика от текущо по-използваните горива като метан и природен газ, които отделят при горенето си въглероден диоксид), горивните клетки са много привлекателни за редица приложения. Единственият остатъчен продукт на водородната горивна клетка (горивен елемент) е водната пара.

Автомобил с горивни клетки или Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) е вид превозно средство на водород, която използва горивни клетки за производство на електроенергия, захранване на борда на електрически мотор. Горивните клетки в превозните средства създават електричество за захранване на електрически мотор, използвайки водород и кислород от въздуха.

Всички горивни клетки са съставени от три части: електролит, анод и катод. По принцип водородните горивни клетки функционират като батерията за производство на електроенергия, която може да работи с електрически мотор. Вместо да се изисква презареждане, обаче, горивната клетка може да се презарежда с водород. Различни видове горивни клетки са с полимерна електролитна мембрана (PEM), директни метанол-горивни клетки, клетки на фосфорна киселинна основа, разтопени карбонатни горивни клетки, Solid оксид горивни клетки, и регенеративните горивни клетки.

Считано от 2009 г., моторните превозни средства, използвани в голямата част от потреблението на петрол в САЩ, произвеждат над 60% от емисиите на въглероден окис и около 20% от емисиите на парникови газове. За разлика от това, превозно средство, задвижвано с чист водород излъчва няколко замърсители, произвеждащи основно вода и топлина, въпреки че производството на водород ще създаде замърсители, освен ако не са произведени чрез използването на водорода, който използва в горивни клетки само енергия от възобновяеми източници.

История

Първият съвременен автомобил с горивни клетки е модифициран във ферма ALLIS-Chalmers трактор, снабден с горивна клетка с 15 киловата, около 1959 г. Студената война и космическата надпревара са управлявали по-нататъшното развитие на технологията на горивните клетки. Проектът „Джемини” тества горивни клетки, за да осигури електрическа енергия по време на пилотирани космически мисии. Развитието на горивните клетки продължава с програмата „Аполо”. Електрическите системи в капсулата „Аполо” и лунните модули, използват алкални горивни клетки.

През 1966 г. General Motors разработва първия пътен автомобил с горивни клетки –  Chevrolet Electrovan. Той има една PEM горивна клетка, диапазон от 120 мили и максимална скорост от 70 mph. Има само две места, като батериите от горивни клетки и резервоарите за гориво се на задната част на микробуса. Само един е построен, тъй като проектът се счита за икономически непосилнен. General Electric и други продължават да работят на PEM горивни клетки през 1970 г.

Горивните клетки все още са ограничени главно за космически приложения през 1980 г., включително и на космическата совалка. Въпреки това, закриването на програмата „Аполо” изпраща много експерти от бранша в частни дружества. До 1990-те години, производителите на автомобили са се интересували в приложения с горивни клетки, както и за демонстрация на превозни средства. През 2001 г. бяха демонстрирани първите 700 Bar (10 000 PSI) водородни резервоари, с което настъпи намаляване на размера на резервоарите за гориво, които могат да бъдат използвани в превозните средства.

През 2003 г. американският президент Джордж Буш предложи Инициативата за водородно гориво (HFI), която по-късно се осъществява от законодателството чрез Закона за енергийна политика за 2005 г. и 2006 г. за съвременната енергия. HFI е с цел по-нататъшно развитие на водородните горивни клетки и инфраструктура, технологии, с цел производство на търговски превозни средства с горивни клетки. До 2008 г. САЩ са допринесли за този проект с 1 млрд. долара. През май 2009 г., администрацията на Обама обяви плановете си да „отреже средства” за развитието на автомобилите с горивни клетки, заключавайки, че и други автомобилни технологии ще доведат до по-бързо намаляване на на емисиите на по-кратко време. Министерството на енергетиката предложи да се намали финансирането за развитие превозни средства на горивни клетка в бюджета си за 2012 г.

Honda-FCX Clarity

Ефективност

Напредъкът в технологията на горивните клетки са намалили размера, теглото и цената на електрически превозни средства с горивни клетки , превозните средства вече могат да изминават с едно зареждане до 250 мили и презареждането трае 5 минути. Трайността на агрегатите е 75 000 мили.

Сред по-забележителните са в производство :

• 2007 – Honda FCX Clarity  – hydrogen fuel cell
• 2010 -Mercedes-Benz F-Cell
• 2014 – Hyundai Tucson FCEV
• 2015 -Toyoat Mirai  – production version of the FCV concept car
• 2016 – Riversimple Rasa
• 2016 -Honda Clarity Fuel Cell