Современный автомобиль отличается от своего предка столетней давности, как самолет от дельтаплана. Принципы работы те же, а начинка совсем другая. Но все это обилие электроники, компьютеров, мультимедиа и т. п. устройств, питающихся электричеством, уже не может в полном объеме обеспечиваться штатной аккумуляторной батареей и генератором. Требуется дополнительный рацион питания.

Дальнейшее расширение автомобильных узлов потребляющих электроэнергию привело инженеров ВМW к мысли, что дальнейшее увеличение существующих методов генерации электричества начинает отрицательно влиять на характеристики двигателей и снижать возможности самих машин. Всесторонние исследования и многочисленные тесты привели специалистов к технологии так называемых топливных ячеек.

Технология топливных ячеек отнюдь не нова. Подобные устройства известны с 60-х годов прошлого века, а теоретические разработки в этой области относятся вообще к концу века XIX.Около 20 лет назад этой технологией всерьез заинтересовались автомобильные концерны. Число концептуальных проектов автомобилей на топливных элементах растет с каждым годом.

За эти годы технология продвинулась настолько далеко, что современные прототипы отличаются от своих предков более чем разительно. Если в первых машинах свободное месте оставалось лишь для водителя, а все остальное пространство занимали топливные ячейки, то последние проекты мало чем отличаются от своих бензиновых и дизельных собратьев.

Компания ВМW также работает над такими устройствами. Но со свойственной немцам практичностью инженеры не спешат коренным образом менять всю идеологию автомобиля. Оставляя двигатель внутреннего сгорания (ДВС) как основной тяговый механизм, топливным элементам отводится роль вспомогательного силового устройства, или АРU (Auxiliary Power Unit).

Ячейка.
В настоящее время известны различные типы таких элементов, но наибольшую известность получила технология так называемой протонной обменной мембраны РЕМ (Proton Exchange Membrane).
Самое главное преимущество этих устройств в том, что процесс производства электроэнергии происходит в них в результате электрохимической реакции. То есть в отличие от существующих классических методик, в том числе от чрезвычайно невыгодного с позиций КПД, но столь популярного ныне ДВС, отсутствует расточительный во всех отношениях этап сгорания РЕМ-элемент фактически превращает топливо сразу в электричество.

При всем кажущемся волшебстве этого процесса устройство топливной ячейки достаточно просто. Представьте себе некую коробку, внутри которой расположены два электрода - анод и катод. Между ними находятся особая мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод - кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода [Н+] проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны идут другим маршрутом через особый токопровод. Так возникает электрический ток. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля.

Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток - для их работы требуется чистый водород. А хранить его не так просто.

Для обычных городских машин ВМW применяет иной тип топливных элементов - твердо-оксидные ячейки SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Кроме того, что такие ячейки значительно менее требовательны к чистоте топлива, они имеют другое, куда более существенное преимущество, делающее их применение в современных автомобилях абсолютно естественным. Благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation - частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин.

Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве - реформере при температуре около 800°С бензин испаряется и разлагается на составные элементы. При этом выделяется водород и привычный нам углекислый газ (С02). Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (небольшой куб, состоящий из пористого керамического материала на основе окиси циркония) водород окисляется кислородом находящимся в воздухе.

Собственно после получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше аналогичному сценарию. С одной лишь существенной разницей. Как было сказано выше, эта топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде и метаноле, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.

Кроме того, благодаря тому, что ионы кислорода проходят через электролит SOFC, допускающий каталитическое окисление выхлопных газов, в реформере можно использовать и угарный газ, содержащийся в выхлопе обычного двигателя внутреннего сгорания. Фактически можно делать электричество из выбросов. Разумеется, это лишь приятный довесок. Основной объем энергии производится все же из бензина. Но главное то, что КПД такого производства энергии значительно превосходит КПД стандартных бензиновых ДВС.

Высокая рабочая температура SOFC (650 - 800°С) - довольно существенный недостаток. Для запуска этого АРU, приходится его прогревать. И этот процесс - по крайней мере пока занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе. Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек.

И, возможно, самое главное, с точки зрения внедрения подобных устройств, - в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Имение дороговизна этих элементов была одним из основных препятствий в развитии и распространении технологии топливных ячеек. Сейчас специалисты говорят уже не о десятках лет, а всего о нескольких годах до момента начала их внедрения.

Этапы.
В феврале 2001 г компанией ВМW был впервые представлен автомобиль 750iL с дополнительным источником энергии SOFC APU, питаемым тем же горючим, что и ДВС. Первый прототип позволил разработчикам продемонстрировать лишь основные принципы SOFC APU, работающей на бензине.

Нельзя не отметить, что создание этого устройства было бы невозможным без тесного сотрудничества с одним из крупнейших разработчиков современных автомобильных узлов и агрегатов, известным поставщиком компонентов американской компанией Delphi и другим, не менее известным автомобильным концерном Renault.

Уже через 18 месяцев группа инженеров представила второй, усовершенствованный прототип. Разработчики, используя последние достижения, сумели на 75% уменьшить вес и объем этого устройства. Была оптимизирована вся конструкция SOFC APU. Новое устройство лучше сопротивляется температурным колебаниям и способно начинать работу уже через 20 минут с момента пуска. Кстати, это одна из самых основных проблем топливных ячеек - длительный период, что называется, «раскочегаривания».

Стоит сказать, что эта АРU изначально разрабатывалась для 42-вольтовых автомобильных сетей, переход на которые уже не за горами. К современным 12-вольтовым сетям данное устройство может подключаться через преобразователь постоянного тока.

Дальнейшие работы буду направлены на создание конструкций, способных начинать работу всего за 10 минут и имеющих цикл жизни более чем 5000 «холодных» пусков.

Так, уже сейчас в тесном сотрудничестве с научно-исследовательским отделом технологий ВМW был разработан SOFC, основанный на стальной подложке, сваренной на металлической биполярной пластике. Используя вакуумное плазменное напыление для наложения керамических функциональных слоев на подготовленные ячейки, удается достичь большей гибкости и сделать ячейки значительно более тонкими.

Преимущества.
Так уж случилось, что на данный момент единственной реальной возможностью получать дополнительную энергию в необходимом количестве и с наименьшими затратами является АРU на основе топливных ячеек.

Начать с того, что, в отличие от обычных аккумуляторов, электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо заряжать часами, до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с заглушенным мотором.

В сравнении с автомобильным генератором топливные ячейки показывают еще большую эффективность. Первое, что лежит на поверхности, это автономность. В отличие от генератора, топливная ячейка вырабатывает электричество даже при заглушенном моторе. Это позволяет использовать кондиционер, мультимедийные устройства и т.д. во время стоянки, не запуская двигатель и не опасаясь, что аккумулятор разрядится.

Но самое удивительное то, что для производства одинакового объема электроэнергии система на топливных элементах затрачивает в 2 раза меньше топлива, чем необходимо при использовании классического генератора.

Будущее.
Представим себе автомобиль ближайшего будущего. То есть это пока не электромобиль. Мы все еще ездим на бензине. Однако расход его раза в полтора, а то и в два меньше, чем сейчас. Почему?

С появлением подобного устройства начнут широко применяться системы переменной работы двигателя с глушением его при остановке автомобиля на перекрестках или при стоянии в пробках и автоматического пуска при нажатии на педаль газа. Уже одно это даст значительный выигрыш в экономии топлива, сделай езду в городском цикле сравнимой по экономичности с загородными поездками.

Нагрузка на генератор также снизится. Возможно, в нем отпадет надобность вовсе, Всю необходимую энергию даст АРU. Такие энергоемкие устройства как гидроусилитель, уступят место электроусилителям.

Совсем отказаться от АКБ, скорее всего, пока не получится, но удастся повысить ее ресурс, снизив цикличность ее зарядов-разрядов. А использование для старта, к примеру, особых конденсаторов позволит сделать аккумулятор значительно меньше и по габаритам, и по емкости.

Применяя такой вспомогательный источник питания, можно сделать реальностью такие разработки, как рулевое управление «по проводам» (т. е без использования механической связи, джойстиков и т. п.), электрические тормозные механизмы и т. д.

Наконец, сам двигатель может претерпеть изменения. Возможно, появится система электромагнитного управления клапанами газораспределения (этой разработкой компания BMW занималась несколько лет тому назад).

И уж вполне закономерно то, что наличие АРU приведет к бурному росту разнообразных офисных, информационных, мультимедийных, развлекательных и прочих устройств в салоне автомобиля. Системы микроклимата станут более доступными, приобретут большую гибкость, индивидуальность и более широкие возможности. Разнообразные холодильники, мини-бары и прочие приятные дополнения тогда не будут висеть на шее мотора, снижая его мощность и съедая дополнительные литры горючего.

Материал взят из журнала «Иномарка»