6.5. Работы оао «Автоваз» по созданию автомобилей на топливных элементах

В настоящее время большинство ведущих автомобильных копаний работают над снижением расхода топлива, токсичных выбросов автомобилей и использованием возобновляемого топлива. Основной мотивацией этих разработок является ужесточение законодательных норм на токсичные выбросы и требования по снижению эмиссии CO₂, а также истощение легко доступных нефтяных месторождений.

Евростандарты предусматривают практически двукратное снижение выбросов CO, CH, NOx каждые пять лет.

Еврокомитет выдвинул законопроект, предусматривающий снижение выбросов СО2 до 140г/км к 2008 г., до 120 г/км – к 2012 г. И до 90 г/км – к 2015 г. Следует ожидать, что приведенные нормы будут ужесточаться со временем.

Однако нулевую токсичность и эмиссию СО₂ нельзя получить при использовании углеводородных топлив. Невозможность решения указанных проблем при использовании традиционных углеводородных топлив привлекло повышенное внимание производителей транспортных средств к альтернативным топливам (водороду) и энергоустановкам (ЭУ) на топливных элементах (ТЭ). Топливные элементы, работающие на водороде, отличает: высокая эффективность преобразования химической энергии топлива в электрическую (КПД достигает 50…65%); идеальная экологическая чистота - конечный продукт реакции – вода; они не имеют трущихся деталей, благодаря чему они бесшумны и долговечны. На рис. 28 приведены характеристики энергоустановок на ТЭ и ДВС.

Разработки автомобилей с энергоустановками на ТЭ являются одним из основных направлений НИОКР в мировом автомобилестроении.

США разработали программу (National Hydrogen Energy Roadmap) поэтапного перехода американской экономики на водород в качестве основного вида топлива в энергетике и на транспорте до 2030 г. Государственные инвестиции на данную программу составляют 5,5 млрд. долл. в течение 10 лет, кроме этого частные инвестиции – более 1 млрд. долл. в год.

General Motors, затратив за последние 5 лет более 1,4 млрд. долл. на технологию ТЭ, рассчитывает довести продажи своих автомобилей с ТЭ до 1 млн. в 2020 г. В странах ЕС действует «Европейская водородная инициатива» с объемом финансирования 2,0 млрд. евро на период до 2020 г. В 2010 г. в мире ожидается коммерческое производство автомобилей на ТЭ по доступным для населения ценам. Прогнозируется увеличение рынка автомобилей на ТЭ в Европе до 18,5 млрд. долл. к 2020 г. и 52 млрд. долл. – к 2040 г.

Рис. 28. Зависимость КПД от мощности различных энергоустановок

Создание водородной энергетики – это проблема, которая выходит далеко за рамки автомобильной промышленности. Но большинство стран начали решать эту проблему через автомобильную промышленность. Ведь только используя специфику автоматизированного массового производства, которая присуща автопрому, можно решить одну из главнейших задач, стоящих перед разработчиками ТЭ,- это снижение их стоимости.

ВАЗ с 1999 г. ведет работы по созданию автомобилей на ТЭ. Для выполнения работ он организовал совместную работу с УЭХК г. Новоуральск, РКК «Энергия», г. Королев, НПО «Автоматика», г. Екатеринбург, АК «Ригель», г. С.- Петербург и другими организациями и предприятиями. В 2001 г. был создан ходовой макет автомобиля «Антэл-1» на базе серийного автомобиля ВАЗ – 2131 (рис. 29).

Рис. 29 Автомобиль «Антэл-1»

За основу был взят щелочной водородно – кислородный электрохимический генератор «Фотон» на ТЭ, который был разработан для космического челнока «Буран». Электрохимический генератор «Фотон» был доработан специально под автомобиль. Напряжение генератора увеличили с 30 до 120 В и форсировали его по мощности с 11 до 20 кВт. Разработали и изготовили специальные баллоны на давление 250 атм. для хранения водорода и кислорода на борту и автоматизированную систему управления энергоустановкой.

Цель создания ходового макета – приобретение опыта работ с энергоустановкой на ТЭ, выявление проблемных вопросов по адаптации автомобильных систем к такой энергоустановке и оценка трудоемкости дальнейших разработок.

Электрохимический генератор, водородные баллоны и система управления энергоустановкой установлены в багажнике. Кислородные баллоны расположены под задним сидением на месте бензобака. В подкапотном пространстве установлены тяговый электродвигатель мощностью 25 кВт с редуктором, силовой блок управления электродвигателем и аккумуляторная батарея на 30 В для пуска энергоустановки. Блок – схема автомобиля «Антэл -1» показана на рис. 30.

Рис.30. Блок-схема автомобиля «Антэл-1»

Пробег автомобиля составляет 200 км при запасе водорода 1,2 кг. Мощность энергоустановки в 20 кВт обеспечивает движение автомобиля со скоростью 85 км/ч.

С учетом результатов испытаний были разработаны технические задания для опытного образца автомобиля на ТЭ. Автомобиль «Антэл -2» (рис. 31) изготовлен в 2003 г.

	Рис. 31. Автомобиль «Антэл-2» и его подкапотное пространство

Блок - схема автомобиля «Антэл -2» показана на рис. 32 Разрабатываемый образец – это 5- местный автомобиль с полноразмерным багажником. Все узлы и системы энергоустановки размещаются в подкапотном пространстве. Он укомплектован специально доработанным щелочным водородно – воздушным генератором на ТЭ напряжением 240 В и мощностью 25 кВт. В результате оптимизации ТЭ удалось снизить количество драгметаллов почти в 2 раза. На этом автомобиле, в отличие от «Антэл-1», отсутствуют кислородные баллоны.

В состав энергоустановки вошли следующие агрегаты:

- система очистки воздуха от СО2 (содержанием СО2 после очистки до 5 ррм);

• безмасленый воздушный компрессор, который подает воздух

Рис. 32. Блок-схема автомобиля «Антэл-2»

в батарею топливных элементов с расходом 100 кг/ ч и давлением 3,3 атм;

• компактная система хранения и подачи водорода с легкими и прочными супербаллонами на давление 400 атм. объемом 90 л и весом 40 кг, с запасом водорода на 350 км пробега.

Использована высокоэффективная никель-металлгидридная буферная аккумуляторная батарея емкостью 10 А.ч и напряжением 200 В, воспринимающая большие зарядно – разрядные токи. Возможности автомобиля на ТЭ, имеющих буферную аккумуляторную батарею, повышаются. Это позволяет:

- снизить расход топлива;

- использовать энергию рекуперативного торможения;

- кратковременно увеличивать мощность при разгоне;

- решать проблемы холодного запуска;

- уменьшать габариты и массу ТЭ;

- снижать стоимость единицы мощности.

Компоновка автомобиля «Антэл-2» показана на рис. 33.

По результатам создания автомобиля «Антел-2» сделаны следующие основные выводы:

- отечественная технология щелочных матричных топливных элементов на водороде и воздухе обеспечивает надежную и длительную работу высоковольтных батарей ТЭ;

• щелочные ТЭ оказались эффективнее существующих твердополимерных ТЭ (вольт-амперные характеристики ЭХГ показаны на рис. 34);

• сложившаяся кооперация организаций и предприятий позволяет вести работы по созданию ТЭ, систем хранения водорода, электропривода и системы управления на высоком техническом уровне;

Рис. 33. Компоновка автомобиля «Антэл-2»

Рис.34. Вольт – амперные характеристики ЭХГ

- создание автомобилей «Антэл-2» подтвердило правильность выбранного направления как в компоновочных решениях, так и в создании энергоустановки и систем, обеспечивающих ее работу.

Следующим этапом работ является разработка принципиально нового автомобиля на ТЭ «Антел-4». Технические требования на электрохимический генератор для него разработаны с учетом опыта создания и испытаний автомобилей «Антэл» и директивных установок министерства энергетики США по энергоустановкам на ТЭ (табл. 18).

Таблица 18

Основные характеристики энергоустановок на ТЭ

Характеристики	ЭУ Антэл-2	ЭУ Антэл-4	Требования МЭ США
			Текущий статус	2015
Тип электрохимического генератора	щелочной	щелочной	Протоно- обменный	Протоно- обменный
Электрохимический генератор	Водородно- воздушный	Водородно- воздушный	Водородно- воздушный	Водородно- воздушный
Напряжение, В	240	340
Мощность номинальная, кВт	25	60	50	80
КПД при 25%, мощности %	50	58	59	60
КПД при номинальной мощности, %	30	50	50	50
Плотность энергии без системы хранения водорода, Вт/л	140	550	450	650
Удельная мощность без системы хранения водорода, Вт/кг	170	500	420	650
Вид топлива	водород	водород	водород	водород
Время запуска при -20ºС ,сек	-	120	120	30
Ресурс, час	2000	5000	1000	5000

На него планируется установить специально разработанный автомобильный вариант щелочного, водородно-воздушного электрохимического генератора мощностью 60 кВт, который разрабатывается с учетом технологий и особенностей серийного производства с применением более дешевых материалов.

Существенные изменения произойдут в компоновке автомобиля и конструкции кузова. Автомобиль будет рамный. Такая конструкция наиболее целесообразна, учитывая технологию сборки и возможную организацию производства автомобилей на ТЭ. Предполагается, что энергоустановка на ТЭ и электропривод будут поставляться другими предприятиями на сборочный завод. На автозаводе будет собираться платформа с шасси, на которой будет закреплена энергоустановка на ТЭ, агрегаты, обеспечивающие ее работу и электропривод. На платформу будет устанавливаться собранный кузов. Создание и производство коммерчески пригодных автомобилей на ТЭ решит экологические проблемы и снизит расход топлива, но массовое внедрение этих автомобилей зависит от развития инфраструктуры заправочных станций и производства водорода. Для решения этих задач необходима федеральная программа развития водородной энергетики, государственное финансирование и поддержка.