В мире постепенно увеличивается спрос на транспорт с электрическим двигателем. К основным проблемам их эксплуатации относятся недостаточное распространение зарядных станций и ограниченный максимальный пробег электромобиля, в среднем не превышающий 500 км. Использование водорода в качестве альтернативного источника энергии решает эти проблемы. Такой вариант отличается своей экологичностью, большим запасом хода на одной зарядке (более 1000 км), быстрой заправкой и безопасностью. Электромобиль на водородном топливе — это сложная техническая система, требующая изучения. В России есть всего одна зарубежная марка такого транспортного средства — Тойота Мирай. Ученые Пермского Политеха разработали нагрузочный стенд для проведения испытаний и изучили конструкцию малогабаритной модели этого гоночного болида. Разработка позволила выявить важные эксплуатационные характеристики объекта, обнаруженные в процессе его работы. Исследование поспособствует импортозамещению зарубежных аналогов электромобилей на водородном топливе.
Статья с результатами опубликована в журнале «Мир транспорта и технологических машин», №3-3 (82), 2023. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
При разработке водородных электромобилей важно изучить все аспекты его работы от производства водорода до работы электродвигателя. Ученые ПНИПУ создали испытательный стенд для проведения тщательных контрольных тестирований изучаемого продукта. С его помощью политехники исследовали модель электромобиля и выявили характеристики, которые в дальнейшем помогут при разработке отечественных моделей.
При эксплуатации электромобилей на водородном топливе отсутствуют выбросы вредных газов в атмосферу. Однако на окружающую среду влияет углеродный след от производства водорода. Оптимальный и экологичный способ его выделения — электролиз воды. Для этого в ходе эксперимента политехники использовали генератор, который расщепляет воду на водород и кислород. На основном элементе генератора, протонообменной мембране, происходит выделение чистого газа.
Водород на борту модели гоночного болида хранится в специальном накопителе, емкость которого равна 10 литрам. При соединении с электролизером емкость заполняется в среднем за 17 минут. Ученые поставили перед собой задачу — выяснить, насколько конструкция накопителя прочна, долговечна и безопасна для применения в электромобиле. Для этого они распилили его и провели химический анализ сплава.
— Мы сделали вывод, что марганец является основанием химической реакции, лежащей в основе работы накопителя. Титан — это добавка, оказывающая положительное влияние, как катализатор. Добавление в сплав хрома позволяет использовать его в качестве аккумулятора. А увеличение содержания ванадия эффективно для повышения выделения водорода. В итоге данная система хранения водородного топлива стабильная, многоразовая и безопасная, а значит, ее стоит использовать в дальнейших разработках транспорта на альтернативном источнике энергии, — рассказывает ведущий инженер кафедры «Автомобили и технологические машины» Пермского Политеха Ольга Иванова.
Исследуемый гоночный болид является радиоуправляемой моделью электромобиля с размещенной на ней водородной энергоустановкой. На борту модели топливо хранится в водородном картридже, который подключен к регулятору давления. Трубопроводы направляют газ к блоку топливных элементов, который в свою очередь конвертирует химическую энергию водорода и кислорода в электрическую. Постоянный ток поступает в контроллер, необходимый для питания и управления электродвигателем. Данные рабочие процессы обеспечивают эффективное передвижение электромобиля на альтернативном топливе.
Испытательный стенд, разработанный учеными, дает возможность динамического моделирования всех этапов преобразования водорода — от хранения в топливном баке до питания электродвигателя. Разработка позволила провести эксперимент по стабильности работы модели гоночного болида. Политехники испытывали модель на уровень мощности и продолжительность работы. Для определения этих параметров экспериментальная установка оборудована автоматизированной системой измерений, регистрации электрических параметров и скорости движения.
Необходимый минимальный уровень мощности установки 10,5 Вт. Выход на стабильный режим работы такой мощности занял 1,5 минуты. Так как для эксперимента политехники использовали небольшой объем водорода (3 литра), время работы установки составило 9 минут при среднем значении выходной мощности 11 Вт. Как только водород в системе закончился, режим стабильной работы пошел на спад и мощность начала снижаться. Эксперимент подтвердил, что параметры водородной энергоустановки достаточны для движения электромобиля на различных эксплуатационных режимах.
Благодаря разработанному стенду ученые ПНИПУ получили важные характеристики работы электромобиля на водородном топливе, которые станут основой для разработки уже реальных отечественных полномасштабных автомобилей на альтернативном источнике энергии. Кроме того исследование обращает внимание на недостатки модели, которые в дальнейшем будут доработаны.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% — региональные университеты.