Cерийное будущее: Революционный пакет водородных топливных ячеек

Умитцу уверен, что через несколько лет эта цифра будет снижена как минимум в десять раз, а в будущем водородные автомобили смогут стать доступными для массового потребителя.

На торжественной церемонии в Таканезава были названы первые пять счастливых обладателей FCX Clarity. Ими оказались голливудский продюсер Рон Йеркса, киноактриса Джейми Ли Кертис, бизнесмен и автолюбитель Джим Саломон, голливудская актриса Лора Хэррис и единственный в мире владелец водородной модели FCX предыдущего поколения Джон Спаллино.

Впервые водородная Honda FCX Clarity была показана осенью прошлого года на автосалоне в Лос-Анджелесе. Всем желающим японцы предлагали опробовать новинку на ходу, но во время тест-драйвов рядом не было ни одного технического специалиста Honda: вождение водородного FCX Clarity не требует никакого специального обучения и подготовки. Чтобы запустить силовую установку автомобиля, достаточно вставить ключ в замок зажигания и нажать кнопку Power. При этом из-под капота не доносится ни звука: о том, что машина готова к движению, сигнализируют лишь ожившие шкалы приборного щитка. Место тахометра на панели с объемным изображением занял индикатор мощности. Шар с голубоватой подсветкой в его центре информирует водителя о текущем уровне потребления топлива. Острая управляемость, ставшая визитной карточкой Honda, просторный салон, отменная шумоизоляция и даже качественная аудиосистема позволяют с уверенностью сказать — перед нами не лабораторный образец, а готовый к широкой продаже суперсовременный семейный автомобиль, нашпигованный новейшими электронными системами.

По сути водородные автомобили на топливных ячейках — это электромобили. Ведь и в тех и в других движение осуществляется благодаря вращению электромотора. Разница лишь в источнике питания: электромобиль получает энергию от предварительно заряженного аккумулятора, а водородный — от пакета топливных ячеек, в котором при окислении водорода образуются электрическая энергия и вода.

Главным компонентом силовой установки и основным источником энергии FCX Clarity служит революционный пакет водородных топливных ячеек третьего поколения V Flow Stack. Инженерам компании удалось создать удивительно компактный и эффективный реактор — он в три раза легче пакета ячеек первого поколения, разработанного в 1999 году, почти втрое компактнее, а его удельная мощность увеличена в четыре раза. Если прежде проблема оптимального размещения пакета ячеек на шасси ставила дизайнеров в тупик, то сейчас небольшой металлический ящик размером с системный блок компьютера легко помещается в центральном тоннеле. В новом V Flow Stack газопроводящие каналы стали на 17% тоньше. Исходные газы проходят сквозь ячейки вертикально, сверху вниз: такая компоновка упрощает дренаж воды с генерирующих слоев ячейки, что крайне важно для устойчивого процесса генерации электроэнергии. Но что еще более важно, в дизайне пакета V Flow Stack для подвода рабочих газов на электроды и эффективного охлаждения ячеек применяются не прямые, как прежде, а волнообразные проводящие каналы.

Волнообразные каналы-сепараторы — критически важный элемент пакета, насчитывающего несколько сотен плоских топливных ячеек, собранных в виде сэндвича. Топливная ячейка состоит из двух электродов, разделенных пленочной электролитической мембраной, и двух диффузионных слоев, по одному на анод (водородный) и катод (кислородный электрод).

Каждая ячейка изолирована от других соседних ячеек разделительными слоями-сепараторами, пронизанными тончайшими волнообразными каналами, доставляющими на электроды водород и кислород. Отдельный вертикальный канал предназначен для отвода воды с поверхности электродов. Газопроводящие каналы в слое-сепараторе ориентированы вертикально, а горизонтальные волнообразные каналы системы охлаждения обвивают их, как волокна в ткани. Волнообразная форма на порядок увеличивает объем каналов и создает турбулентность газов, необходимую для их эффективного распределения по поверхности. Производительность ячеек в пакете V Flow Stack новой FCX Clarity на 10% выше, чем у ячеек предыдущего поколения.

Для нормальной работы ячеек критически важен стабильный температурный режим. Волнообразная форма каналов позволила вдвое уменьшить их количество. Если раньше на одну ячейку приходился один канал, то теперь один канал с охлаждающей жидкостью осуществляет отвод лишнего тепла сразу от двух ячеек. В результате японским инженерам удалось снизить размеры всего пакета на 20% по длине и на 30% по высоте. Эффективный вертикальный дренаж воды, образующейся во время реакции окисления водорода, позволил резко улучшить рабочие характеристики пакета при низких температурах. Новая FCX Clarity спокойно заводится при температуре -30°С, а время прогрева пакета до оптимальной рабочей температуры снизилось в четыре раза.

Следующим шагом после улучшения эксплуатационных характеристик батарей стало усовершенствование двигателя — электромотора постоянного тока. За два года до этого инженеры Honda создали достойный агрегат для концептуального электромобиля EV Plus, и руководство проекта приняло решение использовать его модифицированную версию с соосной интегрированной трансмиссией на FCX Clarity.

Ротор на постоянных магнитах полый, внутри проходит главный вал трансмиссии. Количество магнитов снижено с 12 до 8, для повышения прочности конструкции внутри ротора установлено центральное ребро жесткости. Новые магниты обеспечивают на 20% лучший удельный крутящий момент и на 50% более высокую мощность узла, чем у стандартного электромотора EV Plus. Вал ротора получил новые опорные подшипники пониженного трения, что положительно отразилось на динамических свойствах мотора. Специалисты отмечают, что он отличается удивительно тихой и мягкой работой во всем диапазоне оборотов вплоть до 12 500 об/мин.

Соосное расположение мотора, компактной трансмиссии и преобразователя напряжения Power Drive Unit (PDU), отвечающего за изменение характеристик притока электроэнергии на силовую установку, позволило собрать все эти три элемента в едином корпусе с общей системой охлаждения. В итоге двигатель и трансмиссия новой FCX Clarity стали меньше на 16 см в длину и на 24 см в высоту в сравнении с аналогичным узлом предыдущего поколения. При этом максимальная мощность установки возросла на 20% и составила 134 л.с. Крутящий момент вызывает уважение даже у обладателей дизельных автомобилей — полноценные 256 Н•м с самых низких оборотов.

Концептуальная Honda FCX 2005 модельного года была оснащена двумя водородными баками, а новая FCX Clarity имеет только один. Но инженерам удалось увеличить его полезную емкость, снизив габариты на 24%. Отныне все вспомогательные узлы системы питания топливом — клапаны, редуктор и система контроля давления — находятся в едином корпусе. Количество деталей в системе питания снижено на 74%. Теперь компактный прочный бак из алюминия и карбона размещается за задними сиденьями автомобиля, сохраняя почти весь полезный объем багажного отделения. Максимальный пробег автомобиля на одном баке водорода составляет 450 км. На одном килограмме водорода FCX Clarity может проехать 116 км.

В прежних водородных моделях Honda использовала в качестве дополнительного источника и хранилища электроэнергии массивный блок ультра-конденсаторов, располагавшийся за спинкой задних сидений и занимавший почти половину багажника. Такое решение явно не годилось для серийного автомобиля. Для FCX Clarity впервые была разработана компактная и емкая литий-ионная батарея, которая легко размещается под задним сиденьем. Кроме того, она гораздо эффективнее ультраконденсаторов усваивает энергию, поступающую от системы рекуперации энергии торможения.

Сейчас почти 60% этой энергии возвращается в рабочий цикл. Аккумулятор обеспечивает питание электронных систем автомобиля, аудио- и климатической систем, но при необходимости хранящаяся в аккумуляторе энергия может быть использована для питания двигателя в условиях пиковых нагрузок. Его зарядка осуществляется с помощью системы регенеративного торможения: при замедлении автомобиля до 57% кинетической энергии возвращается в аккумулятор.

Уменьшение размеров силовой установки FCX Clarity, ее высокая удельная мощность вкупе с хорошей аэродинамикой кузова привели к снижению энергопотерь в виде образования избыточной тепловой энергии. Инженеры Honda решили объединить радиатор пакета топливных ячеек, радиатор системы охлаждения двигателя и радиатор климатической системы в единый узел с единственным вентилятором. Испытания показали эффективность такого решения. В итоге под капотом автомобиля было отвоевано целых 40% полезного объема.

Один из главных аспектов использования водородных автомобилей — снижение вредных выбросов в атмосферу. Водородный автомобиль намного эффективнее бензинового и электрического аналогов. Топливная ячейка обладает КПД примерно 80%, но полученную энергию нужно еще превратить в кинетическую энергию вращения колес автомобиля. Электрический мотор и трансмиссия имеют такой же КПД — 80%. Таким образом, водородный автомобиль обладает теоретическим КПД 64%. Honda заявляет, что эффективность модели FCX Clarity равна 60%. Для сравнения, бензиновый автомобиль превращает в механическую работу всего 20−30% энергии, содержащейся в топливе. Электромобиль способен использовать чуть более 70% энергии аккумулятора.

Основное препятствие на пути массового применения водорода в качестве топлива для автомобилей — инфраструктура. Ситуация напоминает классическую дилемму: что было раньше — курица или яйцо? Продавать сверхдорогие водородные автомобили даже на приемлемых условиях лизинга, не имея развитой сети заправок, невозможно. Строить сеть заправок без водородного автопарка — рискованно. А вдруг сотни миллионов так никогда и не окупятся? С чего же начинать?

Компания Honda предлагает своим клиентам экспериментальную домашнюю электростанцию Home Energy Station, превращающую природный газ в тепло, электричество и водород для заправки автомобиля. С 2003 года одна такая экспериментальная установка функционирует в калифорнийском городке Торранс. В настоящее время создано уже четвертое поколение Home Energy Station, значительно более компактное и удобное, чем первые три. Домашняя электростанция полностью обеспечивает крупный индивидуальный дом электроэнергией и теплом, а при необходимости генерирует из природного газа водород для заправки автомобиля. Японцы намерены усиленно продвигать Home Energy Station на рынке, создавая первые точки роста для превращения водородных автомобилей из фантастики в реальность. И все же, если принять во внимание сложности, связанные с промышленным производством водорода, можно с уверенностью сказать: путь водородного автомобиля в массы будет нелегким.