Гибридный силовой агрегат электромобильный
Экологически чистый энергетический агрегат для электромобиля с регенеративным торможением, дающим возможность подзаряжать аккумулятор во время торможения автомобиля, что устраняет надобность во внешних станциях подзарядки, позволяет экономить 2-8 часов и использовать их для движения автомобиля. Основной особенностью ГСАЭ является то, что в нем сагрегатированы: электрохимический генератор (батарея водородно-кислородных топливных элементов); электролизер с твердо-полимерным электролитом (ТПЭ); аккумуляторная батарея. Топливный элемент (ТЭ) вырабатывает электроэнергию при реакции водорода с кислородом, полученными от электролизера, а не из баллонов (или кислорода из воздуха), как обычно. Принцип действия водородно-кислородного топливного элемента, см. рис. 1. Мощность H2-O2 топливных элементов может быть от 50 до 2500 Вт. Время действия до 3000 ч. Еще в восьмидесятых годах были разработаны установки мощностью 40 кВт и выше, со сроком службы до 10000 ч. [3, с.554, 555]. Современные топливные элементы (важно, что в них не происходит сгорания и нет никаких движущихся частей) имеют КПД порядка 60%, достигнуты КПД до 83%; в них наблюдается полное отсутствие шума при работе; они имеют возможность продолжительной непрерывной работы из-за несложности организации непрерывного водородного питания; обладают способностью к значительным и продолжительным перегрузкам без заметного снижения напряжения; имеют также умеренные рабочие температуры и давления в процессе; у них отсутствуют какие-либо вредные выделения в окружающую среду; имеют возможность использовать в качестве окислителя кислород воздуха. Особенно перспективно использование электрохимических генераторов на водороде для аккумулирования электроэнергии по системе электролизер - топливный элемент [3, с. 558]. Эта особенность используется автором в настоящей модели. Включение в состав ГСАЭ экологически чистого электролизера с твердо-полимерным электролитом позволяет постоянно обеспечивать электрохимический генератор водородом и кислородом, не создавая их запасов на борту электромобиля, что в свою очередь, увеличивает степень пожарной безопасности электромобиля. Технические характеристики сагрегатированных в ГСАЭ элементов (электрохимический генератор, электролизер, аккумуляторная батарея) определяются конструктором серийной модели электромобиля. Кроме того, при конструировании ГСАЭ решается вопрос использования воды от электрохимического генератора для электролизера, а также возможность применения МНТЗ («Модульная гибридная трансмиссия»), способной заменить собой маховик, стартер, генератор и коробку передач, или стартер генератора, блока управления и планетарного делителя мощности, как у гибридного Lexus CT-200h.
Область техники, к которой относится полезная модель
Электромобили, гибридные автомобили, работающие на двух видах топлива - углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых, водородных и т.д.) и электрических: конденсаторах, аккумуляторах, приводящих в действие электрические двигатели; автомобили, на топливных элементах (электрохимических генераторах), электроэнергия в которых вырабатывается при реакции водорода с атмосферным кислородом или хранящимся в баллонах, или получаемым в электролизере, установленном на борту электромобиля, как в данной полезной модели.
Уровень техники
Аналог полезной модели - первый отечественный электромобиль «АНТЭЛ» (автомобиль на топливных элементах) по конструкции больше походил на машины, ныне действующей схнмы, только обычный двигатель внутреннего сгорания заменялся на водородный электрохимический генератор [1].
Другой аналог полезной модели - гибрид «Smart» на электротяге (литий - ионных батареях) был дополнен батареей топливных элементов [2].
Прототип полезной модели - «АНТЭЛ - 2» с водородным электрохимическим генератором для которого кислород берется прямо из воздуха, что избавляет от необходимости возить с собой дополнительные кислородные баллоны.
Основной особенностью гибридного силового агрегата электромобильного (ГСАЭ) является то, что в нем сагрегатированы: электрохимический генератор (батарея, водородно-кислородных топливных элементов); электролизер с твердо-полимерным электролитом (ТПЭ) и аккумуляторная батарея.
Сущность полезной модели и существенные признаки
Техническим результатом полезной модели является экологически чистый энергетический агрегат для электромобилей с регенеративным торможением, дающим возможность подзаряжать аккумулятор во время торможения автомобиля, что устраняет надобность во внешних станциях подзарядки и позволяет экономить 2-8 часов и использовать это время для движения автомобиля, а не тратить на подзарядку суперконденсаторов, аккумуляторных батарей, как у современных электромобилей.
Кроме того, такое агрегатирование позволяет использовать перспективную систему для аккумулирования электроэнергии электролизер - топливный элемент.
Во время остановок и путевых стоянок электромобиля, система работает на подзарядку аккумулятора, повышая тем самым надежность агрегата.
Топливный элемент (ТЭ) вырабатывает электроэнергию при реакции водорода с кислородом, полученную от электролизера, а не из баллонов (или кислорода из воздуха) как обычно. То, что водород вырабатывается электролизером и одновременно потребляется ТЭ, а не хранится в баллоне, повышает уровень пожарной безопасности автомобиля.
Принцип действия электрохимического генератора на основе водородно-кислородного топливного элемента (рис. 1) состоит в следующем: водород подводят к отрицательному электроду, где он в присутствии катализатора (выбирается конструктором ТЭ по табл. 2.15 [3, с. 60] распадается на ионы H+ . Реагируя с ионами OH-, которые с положительного электрода, мигрируют через протон-обменную керамическую мембрану к отрицательному электроду, образуя воду. 
;
(отрицательный электрод)
(положительный электрод)
Суммарно: 
Таким образом, два отрицательных электрона 2e- с отрицательного электрода, через внешнюю сеть подводятся к положительному электроду и дают электроэнергию потребителю,
Термохимическое уравнение реакции образования жидкой воды имеет вид:
или 
[6, с. 160].
Мощность H2-O 2 топливных элементов может быть от 50 до 2500 Вт. Время действия до 3000 ч. Еще в восьмидесятых годах были разработаны установки мощностью 40 кВт и выше со сроком службы до 10000 ч. [3, с. 554, 555]
Следует отметить, также, основные качества и преимущества в работе электрохимического генератора:
1) высокий КПД. Современные топливные элементы (важно, что в них не происходит сгорания, и нет никаких движущих частей) имеют КПД порядка 60%, однако достигнуты КПД до 83%;
2) полное отсутствие шума при работе;
3) возможность продолжительной непрерывной работы из-за несложности организации непрерывного водородного питания;
4) способность к значительным и продолжительным перегрузкам без заметного снижения напряжения;
5) умеренные рабочие температуры и давления в процессе;
6) отсутствие каких-либо вредных выделений в окружающую среду;
7) возможность использовать в качестве окислителя также кислород воздуха [3, с. 554].
Особенно перспективно использование электрохимических генераторов на водороде для аккумулирования электроэнергии по системе электролизер - топливный элемент (ТЭ) [3, с. 558]. Эта особенность использована автором в настоящей модели (см. выше).
Включение в состав ГСАЭ экологически чистого электролизера с твердо-полимерным электролитом, позволяет постоянно обеспечивать электрохимический генератор водородом и кислородом, не создавая их запасов на борту электромобиля, что в свою очередь увеличивает степень пожарной безопасности электромобиля в целом.
Здесь следует также отметить преимущества электролизера с ТПЭ по сравнению с водощелочными электролизерами:
меньшими на 20% энергозатратами;
экологической чистотой (отсутствие щелочи, асбеста);
значительно меньшими массогабаритными характеристиками (5-10 раз);
взрывобезопасностью;
чистотой кислорода - 99,6%;
чистотой водорода - 99,85% [4].
Таким образом, ГСАЭ, по существу, является автономным источником тока, для которого первоочередно важным считается лишь высокое значение удельной энергии, а вопросы экономики отходят на второй план.
Практическое значение удельной энергии водородно-кислородного ТЭ составляет около 1000-1500 Вт.ч/кг (теоретическое значение 3650 Вт.ч/кг).
Схема электролизера с твердо-полимерным электролитом дана на фиг. 2, а таблица технических характеристик электролизера с ТПЭ - на фиг. 3. Схема ГСАЭ представлена на фиг. 4.
Перечень фигур с надписями.
Фиг. 1. Схема водородно-кислородного топливного элемента.
Фиг. 2. Схема электролизеров с ТПЭ.
Фиг. 3. Таблица технических характеристик электролизеров с ТПЭ.
Фиг. 4. Схема гибридного силового агрегата электромобильного.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
В настоящее время большинство электромобилей работает на молекулярном водороде (сжатый газ или жидкость) по следующим конструктивным схемам:
1) энергия от топливных элементов непосредственно поступает к электромотору привода. Это гарантирует простоту и дешевизну, высокий КПД трансмиссии, однако, отдача электродвигателя напрямую зависит от производительности электрохимического генератора;
2) второй вариант предусматривает присутствие аккумулятора, накапливающего запас энергии, делающий мотор менее зависимым от топливных ячеек. Появляется возможность рекуперировать энергию во время торможения. Но для эффективности мотора требуется высокое напряжение, для чего необходим достаточно дорогостоящий и небезопасный высоковольтный преобразователь;
3) в третьем варианте предлагается использовать в качестве промежуточного звена между топливными ячейками и электромотором конденсаторы - соединенные в пакет, они образовывают так называемый сверхвместитель.
Этот вариант был принят для Honda FCX. Конденсаторы эффективнее самых лучших никель - гидридных аккумуляторов на 7-10%. Они способны с каждого килограмма массы выдавать 1500 ватт мощности, но для уменьшения теплоотдачи этот удельный показатель уменьшили до 600 Вт/кг [5].
Первый отечественный водородный электромобиль «АНТЭЛ» (автомобиль на топливных элементах) был построен в 2001 году по второму, из перечисленных выше конструктивному варианту.
Электрохимический генератор, баллоны с водородом и система управления энергоустановкой были установлены в багажнике. Кислородные баллоны размещены под задним сидением на месте бензобака. В подкапотном пространстве были установлены: тяговый электродвигатель мощностью 25 кВт с редуктором, силовой блок с электроприводом и аккумуляторная батарея на 30 В для пуска энергоустановки. Водород, определяющий пробег автомобиля, находился под давлением 250 атмосфер, и машина могла пройти 200-220 км с максимальной скоростью 80 км/ч. Чтобы заправить машину топливом, приходилось ждать более 2 часов. Электрохимический генератор, позднее, брал кислород прямо из воздуха, что избавляло от необходимости возить с собой дополнительные, кислородные баллоны. Новый прототип «АНТЭЛ-2» имеет водородные баллоны объемом 90 литров и давлением до 400 атмосфер. Все узлы и энергосистемы в нем размещены под полом и в подкапотном пространстве. Пробег возрос до 360 км [1]
«Smart» на электротяге, дополнили батареей топливных элементов, и синергия водорода и электричества дала отличный результат - запас хода более 250 км. Электротележка студентов голландского технологического университета из города Делфта весит 150 кг (вдвое тяжелее двухтактных картов), оснащена батареей топливных элементов и двумя электромоторами постоянного тока, суммарной мощностью 28 кВт - каждый из них не только вращает свое заднее колесо, но и подзаряжает суперконденсаторы при торможении [2].
Приведенные здесь сведения не только подтверждают возможность осуществления полезной модели, но и представляют данные о работоспособности агрегата без аккумулятора. В этом случае на электромобиль должны устанавливаться баллоны с водородом и кислородом, которые будут расходоваться при трогании электромобиля с места, и пополняться от ТПЭ при торможении и остановках. В прототипе «АНТЭЛ-2» кислород берется прямо из воздуха, что избавляет от необходимости возить с собой дополнительные кислородные баллоны. В данной полезной модели кислород из воздуха не берется, так как «Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газов. Кроме кислорода (20,9%) и азота (78,3%) образующих основную массу воздуха, в состав его входят в небольшом количестве благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Ra), диоксид углерода, водяные пары и пыль. Пыль, находящаяся в воздухе, состоит главным образом из мельчайших частиц минеральных веществ, образующих земную кору, частичек угля, пыльцы растений, а также различных бактерий». [6, с. 361] Чтобы брать из воздуха чистый кислород, необходимо будет иметь на борту электромобиля очистные устройства, это во-первых, а, во вторых, масса кислорода будет недостаточна, чтобы топливный элемент получал О2 в требуемом количестве, а именно 7,5 л/час, как он будет получать от электролизера ЭЛ002.000-11 [4л. 2].
Технические характеристики сагрегатированных в ГСАЭ элементов (электрохимический генератор, электролизер и аккумуляторная батарея) определяются конструктором серийной модели электромобиля.
При конструировании ГСАЭ следует также рассмотреть вопрос использования получаемой в электрохимическом генераторе воды для нужд электролизера, что могло бы уменьшить ее расход в целом и создать кругооборот воды между электролизером и топливным элементом. Следует также рассмотреть возможность применения MHTS («Модульная гибридная трансмиссия»), способной заменить собой маховик, стартер, генератор и коробку передач [7]; или стартер генератора, блока управления и планетарного делителя мощности, в функцию которого входит объединять и перераспределять поток мощности тягового электродвигателя и стартера генератора в зависимости от условий движения, как у гибридного Lexus CT-200h [8].
Список литературы
Гаврилов В. Водородная гонка. Новые известия, 
219 (1857) за ноябрь 2005 г.
2. Авторевю, 23 (462), 2010, с. 67.
3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ, изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина, - М.: Химия, 1989.
4. Свидетельство на полезную модель 22306. Электрохимическое устройство. Приоритет от 13.12.2001 г. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации г. Москва, 20 марта 2002 г., на 2-х л.
5. Вверх по течению. Автомобиль для завтра (Honda FCX), Автомир 26, 2003, с. 42-44.
6. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов - 25-е изд., исправленное / Под ред. В.А. Рабиновича - Л.: Химия, 1986 - 704 с. ил., с. 361, 362.
7.Символичный гибрид. Автомобиль для завтра (Ford Model U), Автомир 23, 2003, с. 42-43.
8. Lexus CT200h: Электрификация малых форм, Автомир, 10, 201, с. 34-36.
Фиг. 1. Схема водородно-кислородного топливного элемента:
1 - потребитель энергии; 2 - диафрагма; 3 - электролит.
Фиг. 2. Электролизеры с ТПЭ на 2-х листах.
Фиг. 3 Таблица технических характеристик электролизеров с ТПЭ.
Фиг. 4. Схема гибридного силового агрегата электромобильного:
1 - электролизер (электродвигатель постоянного тока);
2 - водородно-кислородный топливный элемент;
3 - электролизер с ТПЭ на 2-х листах;
4 - аккумуляторная батарея.
| Электролизеры с ТПЭ | |||||||||||||||||||||||
| п/п | НАИМЕНОВАНИЕ | ЭЛ002,000- | ЭЛ010.000 | ЭЛ011.000 | |||||||||||||||||||
| -00 | -01 | -02 | -03 | -04 | -05 | -06 | -07 | -08 | -09 | -10 | -11 | -12 | -13 | -14 | -15 | -16 | -17 |  | | | |||
| 1 | Производительность, л/час | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| max | - по водороду | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 2,5 | 5 | 7,5 | 10 | 12,5 | 15 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | | 5 | 15 | |
| - по кислороду | 2,5 | 5 | 7,5 | 10 | 12,5 | 15 | 1,25 | 2,5 | 3,75 | 5 | 6,75 | 7,5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 2,5 | 7,5 | ||
| 2 | Рабочий размер электродов | 50×50 | | 70×70 | |||||||||||||||||||
| 3 | Количество ячеек | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 1 | 3 | |
| 4 | Рабочий ток, А, max | 12,0 | 6 | 5 | | 12 | 12 | ||||||||||||||||
| 5 | Плотность тока, А/см2 | 0,5 | 0,24 | 0,2 | | 0,24 | 0,24 | ||||||||||||||||
| 6 | Рабочее напряжение, В | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 2 | 4 | 4 | 8 | 10 | 12 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | | 2 | 6 | |
| 7 | Потребляемая мощность, Вт, max | 31,25 | 62,5 | 93,75 | 125 | 156,25 | 187,5 | 15 | 30 | 45 | 60 | 75 | 90 | 12,5 | 25 | 37,5 | 50 | 62,5 | 75 | | 20 | 60 | |
| 8 | Рабочее тело | Вода дионизованная с удельным сопротивлением 1×106 Ом×см | |||||||||||||||||||||
| 9 | Перепад давления между анодной и катодной зонами КПо | max 0,6 | |||||||||||||||||||||
| 10 | Рабочее давление, МПа | max 0,6 | |||||||||||||||||||||
| 11 | Масса, не более, кг | 1,05 | 1,16 | 1,26 | 1,37 | 1,47 | 1,56 | 1,05 | 1,16 | 1,26 | 1,37 | 1,47 | 1,56 | 1,05 | 1,16 | 1,26 | 1,37 | 1,47 | 1,56 | | | | |
| 12 | Габаритные размеры, мм | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| длина | 70 | 80 | 85 | 95 | 105 | 115 | 70 | 80 | 85 | 95 | 105 | 115 | 70 | 80 | 85 | 95 | 105 | 115 | | 75 | 85 | |
| ширина | 69 | 110 | |||||||||||||||||||||
| высота | 100,5 (89 без токовыводов) | 123 (110 без токовыводов) | |||||||||||||||||||||
| 13 | Подача воды | смешанная | анодная | катодная | анодная | ||||||||||||||||||
Гибридный силовой агрегат электромобильный, состоящий из электрохимического генератора на основе водородно-кислородного топливного элемента, электролизера с твердополимерным электролитом и аккумуляторной батареи, обеспечивает электрическим током тяговые электродвигатели постоянного тока электромобиля, приводящие его в движение.
