Celula de combustie [302323]

Introducere

Hidrogenul nu este o [anonimizat], vântul, gazele naturale și petrolul sunt. Nu există surse naturale sau rezervoare de hidrogen pe pământ. Hidrogenul poate fi extras din combustibili fosili sau poate fi produs prin utilizarea procedeului de electroliză pentru descompunerea apei în hidrogen și oxigen.

Ambele procese necesită energie. [anonimizat]. [anonimizat]-o celulă de combustie pentru a produce energie electrică. [anonimizat] o [anonimizat] o sursă de energie în sine. Fiecare dispozitiv are avantaje și dezavantaje care îi influențează adecvarea pentru utilizare într-o anumită aplicație sau locație.

Celulele de combustie cu hidrogen prezintă câteva caracteristici unice care le fac mai potrivite pentru anumite utilizări decât alte surse de energie electrică. [anonimizat], în funcție de tipul de echipament utilizat.

[anonimizat], astfel încât acestea pot fi utilizate în zonele închise fără a afecta negativ sănătatea umană. [anonimizat], modulare, ceea ce înseamnă că ele pot fi stivuite pentru a [anonimizat]. [anonimizat], foarte eficiente în transformarea energiei chimice în energie electrică și pot oferi multe beneficii. Bateriile pot fi reîncărcate la fel cum poate fi reîncărcată o [anonimizat]. Un container pentru hidrogen și o [anonimizat], nu se degradează în timp. [anonimizat], în timp ce un container de hidrogen nu prezintă scăpări de energie și are o durată mai lungă de depozitare. Un container pentru hidrogen poate fi reîncărcat de obicei cu hidrogen dintr-o sursă externă mult mai rapid decât o baterie poate fi complet reîncărcată. [anonimizat], performanța vehiculului se degradează pe măsură ce bateria se descarcă. [anonimizat], atâta timp cât în rezervor există combustibil pe bază de hidrogen.

Structura lucrării este alcătuită din 3 capitole. Primul capitol prezintă utilizarea pilei de combustie în industrie și procesul de convertire a energiei, clasificarea, [anonimizat]: [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] [1]. Capitolul doi prezintă Trenul Coradia iLint fără emisii de CO2 [anonimizat] o metodă de optimizare prin reutilizarea formelor disponibile de energie pasivă și de stocare a energiei pasive sub formă de hidrogen și oxigen. [anonimizat] recuperată și este convertită în energie electrică care permite unui electrolizor să producă hidrogen și oxigen pentru combustie într-un motor cu ardere internă. De asemenea se explică modul de alimentare a unui tren regional, principiul de funcționare unde energia electrică pentru echipamentul de tracțiune și la bord este generată de o pilă de combustie, stocată într-o baterie și recuperată în timpul frânării. Sunt prezentate fazele de frânare și fazele de accelerare, unde pila de combustie este utilizată în principal pentru alimentarea forței de tracțiune de către invertor și energia sistemelor de bord prin intermediul convertorului auxiliar. În capitolul al trei-lea se prezintă analiza modului de funcționare a trenului Coradia iLint fără emisii de CO2 provenită de la pila de combustie, caracteristicile de funcționare a unui tren de persoane Coradia iLint fără emisii de CO2 provenită de la pile de combustie, configurația trenului cu pilă de combustie, panourile de comandă, pornirea și oprirea motorului.

Capitolul 1

Celula de combustie

Pila de combustie convertește energia chimică dintr-un combustie în energie electrică printr-o reacție chimică a ionilor de hidrogen încărcați pozitiv cu oxigen sau cu un alt agent de oxidare. Celulele de combustie sunt diferite față de baterii, necesitând o sursă continuă de combustie și oxigen sau aer pentru a susține reacția chimică, în timp ce într-o baterie, substanțele chimice prezente în baterie reacționează una cu cealaltă pentru a genera o forță electromotoare. Celulele de combustie pot produce energie electrică continuu atâta timp cât aceste intrări sunt furnizate.

Celulele de combustie sunt utilizate pentru alimentarea primară și de rezervă pentru clădirile comerciale, industriale și rezidențiale și în zonele îndepărtate sau inaccesibile. Acestea sunt, de asemenea, utilizate pentru alimentarea vehiculelor cu celule de combustie, inclusiv pentru stivuitoare, automobile, autobuze, bărci, motociclete și submarine.

Astfel, s-a început căutarea unor soluții pentru găsirea unei forme de energie cel puțin la fel de competitivă din punct de vedere economic ca și cele de până acum. Datorita competiției, atenția cercetării se axează mai mult pe Celulele de combustie cu hidrogen și domeniile de aplicație ale acestora la nivel staționar, în transporturi sau în aplicațiile mobile [1].

Clasificarea pilelor de combustie.

Există multe tipuri de pile de combustie, dar toate sunt constituite dintr-un anod, un catod și un electrolit care permite ionilor de hidrogen încărcați pozitiv (protoni) să se deplaseze între cele două laturi ale celulei de combustie.

Anodul și catodul conțin catalizatori care determină combustieul să sufere reacții de oxidare care generează ioni de hidrogen încărcați pozitiv și electroni. Ionii de hidrogen sunt extrași prin electrolit după reacție. În același timp, electronii sunt extrași de la anod la catod printr-un circuit extern, producând energie electrică în curent continuu.

La catod, ionii de hidrogen, electronii și oxigenul reacționează pentru a forma apă. Deoarece diferența principală dintre tipurile de celule de combustie este electrolitul, celulele de combustie sunt clasificate după tipul de electroliți pe care îl folosesc și prin diferența de timp de pornire de la 1 secundă pentru celulele de combustie cu membrană de protoni (celule de combustie PEM sau PEMFC) până la 10 minute pentru Celulele de combustie cu oxizi solizi (SOFC).

Pilele individuale de combustie produc potențiale electrice relativ mici, aproximativ 0,7 volți, astfel încât celulele sunt "stivuite" sau plasate în serie pentru a crea o tensiune suficientă pentru a satisface cerințele unei aplicații. În plus față de energia electrică, Celulele de combustie produc apă, căldură și, în funcție de sursa de combustie, cantități foarte mici de dioxid de azot și alte emisii. Eficiența energetică a unei pile de combustie este, în general, între 40-60% sau până la 85% eficientă în cazul cogenerării, în cazul în care căldura reziduală este captată pentru a fi utilizată în alte scopuri.

Fig. 1.1. Pila de combustie cu hidrogen [2]

Pila de combustie realizează conversia energiei chimice în apă și energie electrică. Celulele de combustie folosesc hidrogenul drept „combustie” și este obținut prin mijloace diferite [1].

Deși, utilizarea pilei hidrogen-oxigen va rămâne limitată la aplicații speciale, electrodul de oxigen sau mai exact cel de aer deține și va continua să dețină, în diverse variante, o importanță esențială în realizarea lor, fiind în mod obligatoriu un component permanent al acestora. La electrodul de H2, alimentat cu hidrogen gazos, are loc oxidarea catalitică a hidrogenului molecular, după reacțiile în electrolit acid și în electrolit alcalin.

Ele nu oferă nici o indicație referitoare la mecanismele de reacție, în general, la etapele determinante de viteză, în particular, variabile nu numai cu mediul, ci și cu natura materialului din care este confecționat electrodul. O caracteristică observată de obicei la reacția electrodului de H2 o constituie curentul limită, a cărui origine depinde de electrod, de activarea la care a fost supus acesta și de electrolit. Pe electrozii activi de platină, radiu și iridiu, curentul limită se datorează difuziei lente a hidrogenului spre electrozi, iar pe electrodul de aur pur, unui efect combinat, datorat atât transportului de masă, cât și unor cauze cinetice.

Se constată că la viteze mici de rotație, reacția este controlată de difuzie, iar la viteze mari de rotație, reacția este controlată de etapa de ionizare a hidrogenului. Grație electrozilor cu contact triplu, utilizați în marea majoritate a pilelor de combustie, curenții limită, datorați transportului lent de masă al hidrogenului dizolvat, sunt eliminați. Studiind viteza reacției de oxidare a hidrogenului pe electrozi filiformi de Pt, Pd, Ir și Rh, spălați continuu de un flux de electrolit, în funcție de viteza v a fluxului de electrolit (acid sau alcalin saturat cu H2 la p = 1 atm), s-a observat o creștere liniară a densității de curent, cu v, fără a atinge vreo valoare limită.

Conceptul bateriei sau a unei celule de combustie datează de la începuturile electrochimiei. Energie electricăa și hidrogenul pot fi încorporate într-un sistem de energie bazat pe energia regenerabilă care ar putea să înlocuiască în totalitate combustieii fosili. Acumulatorii și celulele de combustie sunt tehnologii care alimentează cu energie mașinile electrice.

Celulele de combustie generează energie electrică convertind oxigenul și hidrogenul în apă, fără combustie. Acestea sunt silențioase și eficiente pentru că nu sunt părți în mișcare.

O pilă de combustie se aseamănă din diverse puncte de vedere cu o baterie dar poate emite energie o perioadă mai lungă de timp. Asta pentru că ea este continuu alimentată de la o sursă externă, cu combustie și aer (oxigen) pe când bateria are o cantitate scăzută de combustie. O pilă de combustibie este de fapt un grup de mai multe pile și are cam același tip de componente ca și o baterie. Fiecare celulă are doi electrozi, anodul care emite electroni și catodul care absoarbe electroni. Amândoi electrozii sunt imersați și separați de un electrolit lichid sau solid dar care trebuie să fie în stare să conducă ionii. O combustie, hidrogenul în cazul nostru este transmis anodului unde ele va fi oxidat producând astfel ioni de hidrogen și electroni. Un oxidant ca și oxigenul este cedat catodului unde ionii de hidrogen de la anod absorb electronii și reacționează cu oxigenul producând apă. Diferența dintre nivelele de energie ale lor produce tensiune pe o unitate de celulă.

Fig. 1.2. Celulă de combustie [1]

Cantitatea de curent furnizată circuitului exterior este dependentă de activitatea chimică a celor două substanțe considerate combustiei. Procesul de producere al curentului va continua atâta timp cât vor fi reactanți. O celulă de combustie se încadrează într-un sistem foarte complex care trebuie să conțină camera de combustie unde are loc reacția dintre cei doi combustiei, pompe, containere de stocare a combustieilor, și o gamă largă de senzori care să monitorizeze și să regleze sistemul. Capacitatea de operare și durata de viață a fiecărei părți din acest sistem poate limita performanța pilelor de combustie.

Există diferite tipuri de pile de combustie ce prezintă caracteristici diferite și depind în principal de materialele utilizate în construcția electrozilor. Astfel se pot grupa, dupa cum urmează [1]:

– Pile de combustie cu membrană electrolitică de tip polimer (PEM) numite și celule de combustie cu membrană de schimb de protoni

– celule de combustie alcalină (AFC)

– celule de combustie cu metanol (DMFC)

– celule de combustie cu carbonat de carbon (MCFC)

– celule de combustie cu acid fosforic (PAFC)

– celule de combustie cu oxigen solid (SOFC)

Principalele tipuri de pile de combustie și proprietățile acestora, sunt prezentate în tab. 1.1.

Tabelul 1.1. Principalele proprietăți ale pilelor de combustie [1]

1. 2. Pilele de tip MCFC cu carbonat topit

Celulele de combustie cu carbonat topit (MCFC) necesită o temperatură de funcționare ridicată, la 650 ° C (1200 ° F), similară cu SOFC. MCFC folosesc ca electrolit sare de carbonat de potasiu litiu, iar această sare se lichefiază la temperaturi ridicate, permițând mișcarea încărcării în interiorul celulei – în acest caz, ionii carbonați negativi.

Ca și SOFC, MCFC-urile sunt capabile să transforme combustieul fosil într-un gaz bogat în hidrogen în anod, eliminând necesitatea producerii de hidrogen extern. Procesul de reformare creează emisii de CO2. Combustieii compatibili cu MCFC includ gazele naturale, biogazul și gazele produse din cărbune. Hidrogenul din gaz reacționează cu ionii carbonați din electrolit pentru a produce apă, dioxid de carbon, electroni și cantități mici de alte substanțe chimice. Electronii călătoresc printr-un circuit extern care creează energie electrică și se întoarce la catod. Acolo, oxigenul din aer și dioxidul de carbon reciclat din anod reacționează cu electronii pentru a forma ioni de carbonat care reumple electrolitul, terminând circuitul [2].

Schema este prezentată în figura 1. 3.

Fig. 1.3. Pila de tip MCFC [2]

Hidrogenul este introdus la nivelul anodului și difuzează printr-un catalizator de platină spre membrana polimer unde este transformat în protoni (ioni pozitivi de H).

Reacțiile chimice pentru un sistem MCFC pot fi exprimate după cum urmează [2]:

reacție anodică

(1.1)

reacția catodică

(1.2)

Protonii de carbon sunt dirijați către catod iar electronii eliberați la anod sunt utilizați prin intermediul unui circuit electric extern.

Reacția globală [2]:

(1.3)

1.3. Pilele de tip SOFC cu oxizi solizi

Pilele de tip SOFC cu oxizi solizi utilizează un material solid, cel mai frecvent un material ceramic numit zirconiu stabilizat cu ytriu (YSZ), ca electrolit [1]. Deoarece SOFC sunt fabricate în întregime din materiale solide, ele nu se limitează la configurația plane a altor tipuri de pile de combustie și sunt deseori concepute ca tuburi laminate. Acestea necesită temperaturi ridicate de funcționare (800-1000 ° C) și pot fi utilizate pe o varietate de combustiei, inclusiv gaze natural [3].

SOFC-urile sunt unice, deoarece la aceștia ionii oxigenului încărcați negativ se deplasează de la catod (partea pozitivă a celulei de combustie) la anod (partea negativă a celulei de combustie) în loc de ioni de hidrogen încărcați pozitiv care călătoresc de la anod la catod. Gazul de oxigen este alimentat prin catod, unde absoarbe electroni pentru a crea ioni de O2. Ionii de O2 se deplasează prin electrolit pentru a reacționa cu gazul de H2 la anod. Reacția la anod produce gaze și apă ca produse secundare. Dioxidul de bioxid de carbon poate fi, un produs secundar în funcție de combustie, dar emisiile de carbon dintr-un sistem SOFC sunt mai mici decât cele provenite de la o instalație de combustie cu combustie fosil. Reacțiile chimice pentru sistemul SOFC pot fi exprimate după cum urmează [4]:

reacție anodică

(1. 4)

reacția catodică

(1. 5)

reacția globală [2]:

(1. 6)

Fig. 1.4. Principiul de funcționare al unei pile de combustie cu oxizi solizi SOFC [1]

Temperatura ridicată de funcționare se datorează în mare parte proprietăților fizice ale electrolitului YSZ. Pe măsură ce temperatura scade, la fel și conductivitatea ionică a YSZ.

Prin urmare, pentru a obține o performanță optimă a celulei de combustie, este necesară o temperatură ridicată de funcționare. Potrivit site-ului lor, Ceres Power, un producător britanic de celule de combustie SOFC, a dezvoltat o metodă de reducere a temperaturii de funcționare a sistemului lor SOFC la 500-600 grade Celsius. Ele au înlocuit electrolitul YSZ utilizat în mod obișnuit cu un electrolit CGO (oxid de ceriu gadoliniu).

Temperatura de funcționare mai joasă le permite să utilizeze sub formă de substrat oțel inoxidabil în loc de ceramică, ceea ce reduce timpul de cost și de pornire al sistemului [6].

1.4. Pilele de tip PAFC cu acid fosforic

Celulele de combustie cu acid fosforic (PAFC) au fost proiectate pentru prima dată și introduse în 1961 de G. V. Elmore și H. A. Tanner. În aceste pile de combustie, acidul fosforic este utilizat ca electrolit ne-conductiv pentru a transmite ioni de hidrogen pozitivi de la anod la catod. Aceste pile funcționează frecvent la temperaturi cuprinse între 150 și 200 grade Celsius.

Această temperatură ridicată va cauza căldură și pierdere de energie dacă căldura nu este îndepărtată și folosită corespunzător. Această căldură poate fi utilizată pentru a produce abur pentru sistemele de climatizare sau pentru orice alt sistem consumator de energie termică. Utilizarea acestei căldură în cogenerare poate spori eficiența celulelor de combustie cu acid fosforic de la 40-50% la aproximativ 80% [ 7]. Pila de combustie este prezentată în figura de mai jos.

Fig. 1.5. Pila de tip PAFC cu acid fosforic [1].

Acidul fosforic, electrolitul utilizat în PAFC, este un acid lichid neconductiv care forțează circularea electronilor de la anod la catod printr-un circuit electric extern. Deoarece rata de producție a ionilor de hidrogen pe anod este mică, platina este utilizată ca catalizator pentru a crește această rată de ionizare. Un dezavantaj important al acestor celule este utilizarea unui electrolit acid. Acest lucru crește coroziunea sau oxidarea componentelor expuse la acidul fosforic [8].

Avantajul (față de pila de tip PEMFC) prezintă toleranță crescută la impurități, în special față de CO. Gama de puteri este cuprinsă între 50 și 500 kW, dar în mod uzual (pentru aplicațiile casnice) cele mai comercializate sunt cele de 200 kW [1]. Este de remarcat faptul că randamentul ei în cazul producerii energiei electrice este de 37-42% .

Fig. 1.6. Instalație de cogenerare ce folosește pila de tip PAFC [1].

1.5. Pilele de tip DMFC cu metanol direct

Celulele de combustie cu metanol direct sau DMFC sunt o subcategorie de Celulele de combustie de schimb de protoni, în care metanolul este utilizat drept combustie. Principalul lor avantaj îl reprezintă ușurința transportului de metanol, un lichid dens energetic, dar în mod rezonabil stabil, în toate condițiile de mediu.

Eficiența este destul de scăzută pentru aceste celule, astfel încât acestea sunt vizate în special în aplicații portabile, unde densitatea energetică și a energiei sunt mai importante decât eficiența.O versiune mai eficientă a unei celule de combustie directe ar juca un rol-cheie în utilizarea teoretică a metanolului ca mediu de transport al energiei în economia metanolului ipotetizată.

Spre deosebire de celulele de combustie metanol indirecte, unde metanolul reacționează la hidrogen prin reformare cu abur, DMFC utilizează o soluție de metanol (de obicei în jur de 1M, adică aproximativ 3% în masă) pentru a transporta reactantul în celulă; Temperaturile de funcționare obișnuite sunt în intervalul 50-120 ° C, unde temperaturile ridicate sunt de obicei presurizate. DMFC-urile sunt ele însele mai eficiente la temperaturi și presiuni ridicate, însă aceste condiții conduc la pierderi atât de multe în sistemul complet, încât avantajul este pierdutprin urmare, configurațiile de presiune atmosferică sunt în prezent preferate [9].

Fig. 1.7. Pila de tip DMFC cu metanol direct [1].

Din cauza metanolului, un fenomen prin care metanolul difuzează prin membrană fără a reacționa, metanolul este alimentat ca o soluție slabă: aceasta diminuează semnificativ eficiența, deoarece metanolul traversat, după ce a atins partea aerului (catodul), imediat reacționează cu aerul, deși cinetica exactă este dezbătută, rezultatul final este o reducere a tensiunii celulare. Cross-over rămâne un factor major în ineficiențe și, adesea, jumătate din metanol este pierdut pentru a trece peste. Conversia metanolului și / sau efectele sale pot fi atenuate prin (a) dezvoltarea membranelor alternative [10], (b) îmbunătățirea procesului de electro-oxidare în stratul de catalizator și îmbunătățirea structurii catalizatorului și a straturilor de difuzie a gazului și (c) optimizarea designului câmpului de curgere și a ansamblului electrodului membranar (MEA), care poate fi obținut prin studierea distribuțiilor densității curente [11].

Alte aspecte includ gestionarea dioxidului de carbon creat la anod, comportamentul dinamic lent și capacitatea de a menține soluția de apă. Schema de principiu fiind prezentată în figura 1.7.

1.6. Pilele de tip AFC combustibie alcalină

Pila de combustibie alcalină (AFC), cunoscută și sub numele de pila de combustibie. Cei doi electrozi sunt separați printr-o matrice poroasă saturată cu o soluție apoasă de alcalin, cum ar fi hidroxid de potasiu (KOH). Soluțiile alcaline apoase nu resping dioxidul de carbon (CO2), astfel încât pila de combustibie poate deveni "otrăvită" prin conversia KOH în carbonat de potasiu (K2CO3).

Din acest motiv, pilele combustie alcaline funcționează în mod obișnuit pe oxigen pur sau cel puțin aer purificat și ar încorpora un "scruber" în proiectare pentru a curăța cât mai mult din dioxidul de carbon posibil [1].

Deoarece cerințele de generare și depozitare a oxigenului fac ca AFC-urile cu oxigen pur să fie scumpe, există puține companii implicate în dezvoltarea activă a tehnologiei. O dezbatere în comunitatea de cercetare cu privire la dacă otrăvirea este permanentă sau reversibilă.

Principalele mecanisme de intoxicare sunt blocarea porilor din catod cu K2CO3, care nu este reversibilă, și reducerea conductivității ionice a electrolitului, care poate fi reversibilă prin revenirea KOH la concentrația inițială. O metodă alternativă implică înlocuirea pur și simplu a KOH care returnează celula înapoi la ieșirea originală.

Când dioxidul de carbon reacționează cu electrolitul, se formează carbonați. S-a constatat că AFC care funcționează la temperaturi mai ridicate nu prezintă o reducere a performanței, în timp ce în jurul temperaturii camerei sa înregistrat o scădere semnificativă a performanței.

Intoxicarea cu carbonat la temperatura ambiantă este considerată a fi rezultatul solubilității scăzute a K2CO3 în jurul temperaturii camerei, ceea ce duce la precipitarea K2CO3 care blochează porii electrodului.

De asemenea, acești precipitanți scad treptat hidrofobicitatea stratului suport de electrod care duce la degradarea structurală și inundarea electrodului [4].

(1.7)

Pe de altă parte, ionii hidroxilici care conțin sarcină din electrolit pot reacționa cu dioxidul de carbon din oxidarea combustieului organic (adică metanol, acid formic) sau aer pentru a forma specii de carbonat [4].

(1.8)

Formarea de carbonat epuizează ionii de hidroxil din electrolit, ceea ce reduce conductivitatea electrolitului și, în consecință, performanța celulelor.

Pe lângă aceste efecte vaste, efectul asupra gestionării apei datorat unei modificări apresiunii vaporilor și, sau unei modificări a volumului de electroliți poate fi în detrimental acesteia. Schema de principiu a este prezentată mai jos.

Fig. 1.8. Pila de combustie de tip AFC [1]

AFC-urile sunt cele mai ieftine dintre pile de combustie realizate. Catalizatorul necesar pentru electrozi poate fi oricare dintre mai multe substanțe chimice diferite, care sunt ieftine, comparativ cu cele necesare pentru alte tipuri de pile de combustie. O altă evoluție recentă este pila de combustie alcalină solidă, utilizându-se mai degrabă membrane de schimb de anioni alcalini decât un lichid.

Din cauza acestui efect de otrăvire, există două variante principale de AFC: electrolit static și electrolit care curge. Pilele electrolitice statice sau imobilizate de tipul celor utilizate în ambarcațiunea spațială Apollo și nava spațială folosesc de obicei un separator de azbest saturat în hidroxid de potasiu. Producția de apă este controlată prin evaporarea din anod, așa cum se prezintă mai sus, care produce apă pură care poate fi recuperată pentru alte utilizări. Aceste pile de combustie folosesc de obicei catalizatori de platină pentru a obține eficiențe volumetrice și specifice maxime.

Conceptele electrolitului cu flux utilizează o matrice mai deschisă care permite fluxului de electrolit fie între electrozii (paralel cu electrozii) fie prin electrozii într-o direcție transversală (celula de combustie tip ASK sau EloFlux) [3].

În cazul proiectelor electrolitice în flux paralel, apa produsă este reținută în electrolit, iar electrolitul vechi poate fi schimbat pentru proaspete, într-o manieră analogă cu schimbarea uleiului într-o mașină.

Mai mult spațiu este necesar între electrozi pentru a permite acest flux, iar acest lucru se traduce într-o creștere a rezistenței celulare, scăzând puterea de ieșire în comparație cu modelele de electroliți imobilizați. O altă provocare pentru această tehnologie este problema blocării permanente a catodului cu K2CO3; Unele rapoarte publicate au indicat mii de ore de funcționare pe calea aerului. Aceste modele au folosit catalizatori de platină și de metale non-nobil, ceea ce a dus la creșterea eficienței și creșterea costurilor.

Designul EloFlux, cu fluxul său transversal de electroliți, are avantajul construcției cu costuri reduse și a electrolitului înlocuibil, dar până acum a fost demonstrat doar prin utilizarea oxigenului.

Electrozii constau dintr-o structură cu strat dublu: un strat activ de electrocatalizator și un strat hidrofob. Stratul activ constă dintr-un amestec organic care este măcinat și apoi laminat la temperatura camerei pentru a forma o foaie de auto-susținere reticulată.

Structura hidrofobă împiedică scurgerea electroliților în canalele de curgere a gazului reactant și asigură difuzia gazelor în zona de reacție. Cele două straturi sunt apoi presate pe o plasă metalică conductivă, iar sinterizarea completează procesul [3] poate fi văzută în figura de mai jos.

Fig. 1.9. Pila de combustie de tip AFC folosită în cadrul programelor spațiale NASA [1].

1.7. Pilele de tip PEMFC cu electroliți din polimeri

Celulele de combustie cu electroliți din polimeri au capacitatea de a funcționa la temperaturi foarte scăzute. Aceasta este principala atracție a PEM. Densitățile de putere la această temperatură pot fi reduse, ceea ce reduce în ansamblu greutatea, costul de producție și volumul specific.

Pe partea anodică, hidrogenul difuzează la catalizatorul anodic unde disociază mai târziu în protoni și electroni. Acești protoni reacționează adesea cu oxidanții, ceea ce-i determină să devină membrane protonice multifuncționale. Protonii sunt conduși prin membrană la catod, dar electronii sunt forțați să circule într-un circuit extern (tensiunea de alimentare), deoarece membrana este izolată electric. Pe catalizatorul catodic moleculele de oxigen reacționează cu electronii (care au străbătut circuitul extern) și cu protonii pentru a se forma apa.

Multe companii lucrează la tehnici de reducere a costurilor într-o varietate de moduri, inclusiv prin reducerea cantității de platină necesară în fiecare celulă individuală. Ballard Power Systems a experimentat un catalizator îmbunătățit cu fire subțiri de carbon, care permite o reducere de 30% (1 mg / cm² la 0,7 mg / cm²) în utilizarea platinei fără a reduce performanța.

În acest tip de celulă de combustie, membrana trebuie să fie hidratată, necesitând evaporarea apei la exact aceeași viteză ca cea produsă. Dacă apa se evaporă prea repede, membrana se usucă, rezistența se mărește și se va sparge, creând un "scurtcircuit" al gazului, în care hidrogenul și oxigenul se combină direct, generând căldură care va deteriora celula de combustie. Dacă apa se evaporă prea încet, electrozii se vor inunda, împiedicând reactanții să ajungă la catalizator și să oprească reacția.

Metodele de gestionare a apei în celule sunt dezvoltate ca pompele electroosmotice concentrându-se pe controlul debitului. Într-un motor cu combustie este necesar să avem un raport constant între reactant și oxigen pentru a menține funcționarea eficientă a celulei de combustie. Aceeași temperatură trebuie menținută în întreaga celulă pentru a preveni distrugerea celulei prin încărcare termică. Reacția 2H2 + O2 -> 2H2O este foarte exotermă, astfel încât o cantitate mare de căldură este generată în interiorul celulei de combustie [13].

Aplicațiile staționare de celule de combustie necesită de obicei mai mult de 40.000 de ore de funcționare fiabilă la o temperatură între -35 ° C și 40 ° C, în timp ce celulele de combustie pentru automobile necesită o durată de viață de 5.000 de ore (echivalentul a 240.000 km) la temperaturi extreme. Durata de viață actuală este de 2.500 de ore (aproximativ 128.000 km). Motoarele trebuie, de asemenea, să poată porni în siguranță la -30 ° C (-22 ° F) și să aibă un raport ridicat de putere-volum (de obicei 2,5 kW pe litru) [14].

În plus față de acest tip de hidrogen pur, există combustibil din hidrocarbonați pentru celulele de combustie, incluzând motorina, metanolul și hidrurile chimice. Deșeurile din aceste tipuri de combustibil sunt dioxidul de carbon și apă. Atunci când se utilizează hidrogen, CO2 este eliberat atunci când metanul din gazele naturale este combinat cu aburul, într-un proces numit reformare metan cu abur, pentru a produce hidrogenul. Acest lucru poate avea loc într-o locație diferită față de celula de combustie, permițând eventual utilizarea celulei de combustie pe bază de hidrogen în interior – de exemplu, în furcă.

PEM, la fel ca toate celulele de combustie, este alcătuită din trei părți de bază: anodul, catodul și membrana. Aceste trei zone sunt adesea fabricate din "foi" separate, iar PEM nu face excepție. Anodul și electrodul sunt adesea realizate împreună, făcând astfel un ansamblu de electrozi cu membrană (MEA). PEM a fost folosit de ceva timp de către guvern, făcându-și debutul cu privire la Gemeni, viața ei fiind de numai 500 de ore. După decizia NASA de a utiliza celulele de combustie alcalină în misiunile ulterioare, popularitatea PEM a scăzut dramatic, până când progresele recente le-au făcut mai economice pentru a se dezvolta și a cerceta, odată cu dezvoltarea de noi membrane, cum ar fi Nafion, și reducerea utilizării Pt (de la 28 mg cm2 în 1967 până la 0,2 mg cm2 astăzi) [14].

Fig. 1.10. Pila de tip PEMFC cu electroliți din polimeri [1]

PEM-urile sunt utilizate în industria producătoare de automobile, autobuze, aplicații portabile și chiar pentru unele aplicații de cogenerare [1]. Astăzi industria are o mare speranță pentru PEM, unele observând chiar că a depășit toate celelalte tehnologii de generare a energiei electrice în lățimea de domeniu și aplicațiile lor posibile [15]. Diferitele componente ale unui PEMFC sunt: plăci bipolare, electrozi, catalizator, membrana și Hardware-ul necesar, cum ar fi colectorii de curent și garniturile.

Materialele utilizate pentru diferite părți ale celulelor de combustie diferă în funcție de tip. Plăcile bipolare pot fi fabricate din diferite tipuri de materiale, cum ar fi metalul, metalul acoperit, grafitul, grafitul flexibil, compozitele C-C, compozitele carbon-polimer etc.

Ansamblul de electrozi membrană (MEA) este inima PEMFC și este de obicei realizat dintr-o membrană de schimb de protoni sandwich între două hârtii de carbon acoperite cu catalizator. Platina și/sau un tip similar de metal nobil este de obicei utilizat ca și catalizator pentru PEMFC.

Deoarece puterea ce este dezvoltată de o astfel de pilă este destul de mică pentru majoritatea aplicațiilor pentru a putea fi folosite, aceste pile de combustie trebuie înseriate în funcție de puterea necesară [1]. Un astfel de ansamblu de pile de combustie este prezentat în figura 1.11.

Fig. 1.11. Ansamblu de pile de combustie (PEM) [1]

PEMFC sunt construite din ansambluri de electrozi cu membrană (MEA), care includ straturile de electrozi, electroliți, catalizatori și gaz de difuzie. O cerneală de catalizator, carbon și electrod este pulverizată sau pictată pe electrolitul solid și hârtia de carbon este presată la cald pe ambele părți pentru a proteja interiorul celulei [1].

Partea pivot a celulei este limita trifazică (TPB-triple phase boundary) în care se amestecă electrolitul, catalizatorul și reactanții și unde reacționează efectiv celulele. Este important ca membrana să nu fie conductivă electrică, astfel încât jumătățile de reacție să nu se amestece.

Temperaturile de funcționare de peste 100°C sunt necesare, astfel încât produsul secundar de apă devine abur, iar gestionarea apei devine mai puțin critică în proiectarea celulelor [16].

Capitolul 2

Trenul Coradia iLint fără emisii de CO2 provenită de la pile de combustie

2.1. Generalitați

Vom discuta despre o metodă de optimizare a efectului cumulativ benefic de recoltare a formelor disponibile de energie pasivă și de stocare a energiei pasive sub formă de hidrogen și oxigen. Energia cumulată care este recuperată și este convertită în energie electrică permite unui electrolizor să producă hidrogen și oxigen pentru combustie într-un motor cu ardere internă. Se referă la sisteme de motoare care protejează mediul înconjurător, mai ales la sistemele cu motor ecologic care utilizează apă prin electroliză. Încălzirea globală a impus o multitudine de reglementări interne și federale și tratate internaționale, toate concepute pentru a limita efectele dăunătoare legate de arderea combustibililor fosili. Aceste reglementări vizează, în general, emisiile de C02, care au fost recunoscute de unii ca și o contribuție la încălzirea atmosferică cu efect de seră [17].

Alstom Coradia LINT este o remorcă articulată cu o singură unitate sau două unități fabricată de Alstom, oferită în modele cu motoare diesel și cu pile de combustie. Acronimul LINT este prescurtare din germană "Leichter Innovativer Nahverkehrstriebwagen" (vehicul ușor feroviar de transport local inovator). Acesta a fost proiectat de Linke-Hofmann-Busch (LHB) (achiziționat în 1996 de Alstom) și a fost distribuit ca parte a familiei Coradia de la Alstom [18].

Siemens Desiro este o familie de trenuri de pasageri diesel sau electrice, dezvoltate de Siemens Mobility, o divizie a conglomeratului german Siemens AG. Trenurile sunt utilizate în cea mai mare parte pentru serviciile navale și regionale iar accelerarea lor rapidă le face adecvate pentru servicii cu distanțe scurte între stații. Designul este flexibil și a devenit utilizat în multe țări europene [19].

Familia trenurilor LINT este foarte asemănătoare familiei Desiro descrise mai sus. LINT este astăzi produsul grupului francez Alstom. Cea mai obișnuită unitate cu două autocare este denumită LINT 41 și este cunoscută în Germania ca Br 648. LINT 27 cu un autocar, are o putere de doar 315 kW, o viteză maximă de 120 km / h și 52 de locuri. Autocarul LINT 41 are două motoare similare de 315 kW, câte unul în fiecare autocar.

Modelul LINT a fost proiectat de compania Linke-Hoffman-Busch LHB, dar întregul grup LHB a fost ulterior achiziționat de către producătorul francez Alstom. De atunci, trenul este cunoscut și sub numele de Coradia Lint – să nu fie confundat cu familia trenurilor Coradia din același grup Alstom, un tren complet diferit. LINT (vehicul ușor feroviar de transport local inovator) nu a devenit niciodată la fel de popular ca și rivalul său Desiro, dar poate fi văzut, de exemplu, de compania națională de transport feroviar a DB, precum și de un număr mare de companii private mici cum ar fi grupul Veolia (ex Connex) și filialele sale NordOstBahn NOB, NordWestBahn NWB și altele. În Danemarca, compania britanică operează trenurile LINT, la fel și localitatea Lokalbanen din Danemarca, precum și compania olandeză Syntus – printre altele.

Coradia este o familie de trenuri a grupului francez Alstom. Primul tren Coradia, Lirex a fost un prototip foarte fantezist, cu ferestre laterale rotunde. Cu toate acestea, a fost un prototip de platformă, care mai târziu s-a dezvoltat într-o familie de trenuri foarte proliferatoare. Ca și în cazul modelului Desiro, de asemenea Coradia este o familie cu mai multe ramuri de tip "trenuri" [19]. Trenul cu pile de combustie, este o alternativă ecologică și economică pentru propulsia diesel tradițională. Hidrogenul îndeplinește toate cerințele esențiale pentru calea ferată, este o tehnologie matură și eficientă, dovedită după decenii de cercetare și de securitate.

Celula de combustie în propulsia feroviară va crea o nouă generație de trenuri ecologice, silențioase și eficiente. Trenurile care încorporează pila de combustibie, utilizează alte tehnologii de eficiență energetică, cum ar fi bateriile de stocare a energiei și a sistemelor inteligente de gestiune și de recuperare a energiei. Designul interior, ușile, etc., destul de ușor dacă și când profilul de utilizare a trenului se schimbă din cauza curenților bruți la licitațiile publice. Detaliile tehnice diferă în funcție de diferitele tipuri, dar, ca exemplu, Coradia Nordic, pe care operatorii suedezi Norrtåg și Västtrafik le-au comandat acum sunt 4 autocare lungi, au o viteză maximă de 180 km / h și au 228 de locuri [4].

Alstom a lansat un tren regional regional Coradia iLint în 20 septembrie 2016. Alstom a prezentat un tren regional Coradia iLint cu pilă de combustie cu hidrogen la InnoTrans, cel mai mare târg al industriei feroviare, care are loc la Berlin între 20 și 23 septembrie 2016. Alstom este printre primii producători de căi ferate care dezvoltă un tren de călători bazat pe tehnologia pilelor de combustibe. Pentru a face cât mai simplu operarea Coradia iLint, Alstom oferă un pachet complet, constând din tren și întreținere, precum și întreaga infrastructură de hidrogen datorită asistenței partenerilor [19].

Fig. 2.1. Coradia iLint. Tren regional cu pila de combustie hidrogen [21]

2.2. Modul de alimentare a unui tren regional

Pila de combustibe Coralia iLint este nucleul sistemului, sursa primară de energie pentru a propulsa trenul. Acestea sunt alimentate la cerere cu hidrogen.

Pila de combustibie furnizează energie electrică prin combinarea hidrogenului stocat în tancurile de la bord cu oxigenul din aerul înconjurător.

Fig. 2.2. Tren cu pile de combustie [21]

Bateriile litiu-ion sunt de înaltă performanță și stochează energia din sistemul pilelor de combustie atunci când nu sunt necesare pentru tracțiune sau de la energia cinetică a trenului în timpul frânării electrice și permit suportul de livrare a energiei în timpul fazelor de accelerație.

Bateriile acumulează energia care nu este utilizată imediat, pentru a le furniza mai târziu după cum este necesar. Aceasta are ca rezultat o mai bună gestionare a consumului de combustie.

Principiul – Energia electrică pentru echipamentul de tracțiune și la bord este generată de o pilă de combustie, stocată într-o baterie și recuperată în timpul frânării. Toate acestea sunt supravegheate de algoritmi de management al energiei care optimizează sistemul.

Eficiența sistemului se bazează pe stocarea energiei în bateriile litiu-ion. Celulele de combustie tind să funcționeze la maxim, dacă acestea funcționează continuu la o performanță relativ constantă. Bateria stochează energia din celula de combustibil când nu este necesară pentru tracțiune și frânare regenerativă atunci când motoarele trenului transformă energia cinetică în energie electrică. Pe scurt, bateriile stochează energia care nu este necesară imediat, pentru a le furniza mai târziu, după cum este necesar [21].

În timpul accelerării, puterea pilei de combustie va fi utilizată în principal pentru a furniza puterea de tracțiune solicitată de invertorul de tracțiune și pentru a furniza energie la sistemele de la bord (prin intermediul convertorului auxiliar), suplimentat cu energie de la baterie.

Pila de combustibie – Generează energie electrică prin reacția chimică, combinând un combustie (hidrogen) cu un agent de combustie (oxigenul în aer). Evacuare: apă și aburi. Celula de combustie alimentează motorul de tracțiune în timpul accelerării și, în același timp, bateriile și echipamentele de la bord.

Hidrogenul – Depozitat ca gaz în rezervoarele de reținere de pe acoperiș, este combustieul utilizat de celula de combustie. Acesta va fi furnizat de un partener.

Baterii cu lithium-ion – Stochează o parte din energia suplimentară produsă de celula de combustie, precum și energia cinetică recuperată în timpul frânării. Bateriile livrează trenul în condiții normale de funcționare și pot folosi pentru a mări viteza accelerația trenului atunci când este necesar.

Convertorul auxiliar – Convertește energia electrică primită de la pile de combustie sau de la baterie, pentru a o adapta la diferitele echipamente de la bord (aer condiționat, uși, afișaje pentru informații despre pasageri, iluminare …)

Invertorul de tracțiune / convertorul – Asigură că energia adecvată este transmisă între Celula de combustie, bateria și motorul de tracțiune. De asemenea, aceasta colectează energia generată de mișcarea trenului în timpul frânării, redistribuind-o la convertorul auxiliar și bateriile

Motorul de tracțiune – acționează roțile pentru accelerație și frânare[21].

2.3. Fazele de accelerare

Puterea pilei de combustie va fi utilizată în principal pentru alimentarea forței de tracțiune de către invertorul de tracțiune și cererea de energie a sistemelor la bord prin intermediul convertorului auxiliar. În plus, în timpul acestor faze, energia din baterie va fi utilizată pentru a mări accelerația. Nivelul puterii celulelor de combustie depinde de amplitudinea și durata cererii de putere mare: fazele de accelerare scurtă cu cerere de putere limitată vor fi furnizate în principal de către baterie. Numai în timpul unor faze mai lungi de cerere de putere mare conduce la o funcționare completă a puterii celulei de combustie.

Nivelul de putere a celulei de combustie depinde de viteza și durata accelerației – fazele de accelerare scurtă cu cerere de putere limitată vor fi furnizate în principal de către baterie. Numai în fazele mai lungi de cerere de putere mare, celula de combustie va funcționa la putere maximă.

În timpul fazelor de accelerare mai redusă, de viteză constantă o parte a puterii pilei de combustie va fi utilizată pentru a reîncărca bateria și a furniza energie electrică sistemelor de la bord. Când bateria este complet încărcată, ieșirea pilei de combustibil va fi redusă astfel încât să furnizeze doar convertizorul auxiliar sau sistemele de la bord. Acest lucru va reduce consumul de hidrogen[19].

În timpul frânării, Celulele de combustie sunt aproape complet oprite. Invertorul de tracțiune alimentează legătura DC cu energia electrică generată de motor din energia cinetică a vehiculului. Această putere este utilizată pentru a furniza sistemele la bord iar surplusul de energie este folosit pentru a reîncărca bateria, o caracteristică care economisește de asemenea hidrogen.

O parte a puterii pilei de combustie va fi utilizată pentru a reîncărca acumulatorul lângă alimentarea cu energie a sistemelor de la bord prin intermediul convertorului auxiliar. Dacă bateria este încărcată suficient, celula de combustie este alimentată în jos pentru a furniza numai sistemele de la bord ,convertorul auxiliar. Acest lucru va reduce consumul de hidrogen.

2.4. Fazele de frânare

Celulele de combustie sunt alimentate aproape complet. Invertorul de tracțiune alimentează DC-ul cu energia electrică generată de energia cinetică a vehiculului. Această putere este utilizată pentru alimentarea sistemelor la bord prin intermediul convertorului auxiliar. Puterea excedentară este utilizată pentru a reîncărca bateria. Este producția secundară de energie.

În timpul frânării, Celulele de combustie sunt aproape complet oprite. Invertorul de tracțiune alimentează legătura DC cu energia electrică generată de motor din energia cinetică a vehiculului. Această putere este utilizată pentru a fi furnizată sistemele la bord și surplusul de energie este folosit pentru a reîncărca bateria, este o caracteristică care economisește de asemenea hidrogen [19].

Trenul de tip Lint păstrează o viteză maximă de 140 km/h și un interval de acțiune (pe un singur rezervor de combustie) de cel puțin 600 km. Pentru a introduce cu succes o nouă sursă de energie în serviciul de rutină, vor fi necesare mai multe modificări, pentru a depozita infrastructura și aranjamentele de întreținere. Pentru a face cât mai ușor operarea sistemului de pile de combustie, Alstom va oferi un pachet complet compus din trenul, întreținerea și întreaga infrastructură de hidrogen. Acest lucru va permite operatorului să se concentreze pe competența sa principală, în timp ce Alstom și partenerii săi se ocupă de tot materialul rulant și problemele legate de hidrogen.

2.5. Avantaje

Acest sistem are un avantaj suplimentar privind consumul de energie, deoarece economisește hidrogen prin energia produsă sau recuperată de la frânare care este gestionată în mod inteligent, Coradia iLint se aseamănă cu acoperirea și performanța trenurilor regionale similare, dar fără aproape nici un impact asupra mediului.

Această lansare urmează Letters of Intent semnat în 2014 cu Landeri, germani din Saxonia Inferioară, Renania de Nord-Westfalia, Baden-Württemberg și Autoritățile de transport public din Hesse pentru utilizarea unei noi generații de tren fără emisii echipat cu alimentarea cu Celulele de combustie [21].

Coradia iLint se bazează pe trenul diesel Coradia Lint 54, dovedit de servicii. Acesta va fi fabricat în Salzgitter, cel mai mare site al companiei Alstom.

În ciuda numeroaselor proiecte de electrificare din mai multe țări, o parte semnificativă a rețelei feroviare europene va rămâne neelectrificată pe termen lung. În multe țări, numărul de trenuri diesel aflate în circulație sunt în continuare ridicate – de exemplu, peste 4.000 de automobile în Germania.

În ultimele decenii, diferite țări au înregistrat întreruperi în ce privește disponibilitatea aprovizionării cu combustiei fosili datorită unui embargo extern asupra petrolului și a dezastrelor naturale interne. În plus, țările se confruntă cu amenințarea persistentă a terorismului direct împotriva rafinăriilor de petrol și a infrastructurii conexe. Există și amenințări sub forma șantajului politic/terorist care poate întrerupe accesul la orice sursă non-internă de aprovizionare cu petrol fără nici o avertizare.

De exemplu, rata actuală a consumului de țiței din Statele Unite este estimată la aproximativ 12 milioane de barili pe zi. Dacă din diverse motive S.U.A. ar fi obligată să devină dependentă doar de Departamentul de Energie al Statelor Unite, Strategic Petroleum Reserve, (din februarie 2008, capacitatea a fost de 698,6 milioane de barili) această rezervă națională ar fi epuizată în aproximativ 57 de zile.

Ca o consecință, un număr de combustiei alternativi pe bază de combustiei nefosili sunt evaluați și testați pentru transport, inclusiv etanol, bio-diesel, electric și hidrogen, pentru a numi câteva.

În plus față de avantajele oferite de sursele de alimentare auxiliare, greutatea trenului ar trebui redusă pentru câștiguri suplimentare în eficiență.

Efectul sinergic al unui vehicul ușor și eficient în tandem cu o gamă largă de sisteme de recuperare a energiei la bord vor ajuta la compensarea costurilor scăzute, densitatea de energie a hidrogenului în comparație cu combustiei cu hidrocarburi. În mod avantajos, se poate elimina necesitatea unei noi infrastructuri de hidrogen pentru realimentarea pe bază de hidrogen.

Un alt avantaj al generării combustiei la bord este siguranța sporită. Un sistem care elimină un proces repetitiv de alimentare cu combustie elimină riscul de scurgere a din cauza componentelor uzate sau a erorilor umane, deoarece hidrogenul și oxigenul acționează ca purtători de energie, unul din avantaje este reducerea mărimii bateriei și / sau a condensatorului ultra-dens [21].

Deoarece utilizarea stocării energiei chimice este limitată la funcționarea mai mult ca tampon energetic, mărimea bateriilor și/sau tamponului de energie este semnificativ mai mică decât un hibrid-electric convențional sau un sistem pur electric care se bazează exclusiv pe baterii.

Un obiectiv al acestei abordări este reducerea deșeurilor ulterioare utilizării (de la eliminarea bateriilor chimice și a ultra-condensatoarelor toxice) care, la rândul lor, vor reduce poluarea solului. Reducerea capacității bateriei se realizează deoarece, în procesul de electroliză, funcția de hidrogen și oxigen sub presiune reprezintă un dispozitiv de stocare a energiei care are caracteristici similare cu o baterie reîncărcabilă.

Alimentarea electrolizorului transformă apa în hidrogen și oxigen care acționează ca energie de stocare. Pe măsură ce hidrogenul și oxigenul sunt arse în motor, energia lor potențială este transformată în energie cinetică (motor de transport) pentru a conduce motorul și acestea sunt combinate pentru a deveni apa reciclată din nou.

Cu alte cuvinte, un rezervor independent de combustie, sistemul de combustie și sistemul de evacuare pot fi îmbinate cu sistemul pentru a asigura mobilitatea în situații de urgență în cazul în care unul dintre sistemele de bază este nefuncțional sau rezervorul de combustie este pur și simplu gol.

2.6. Dezavantajele utilizării trenului Lint

Inginerii Alstom vor lua în considerare, riscurile generate de introducerea hidrogenului (cum ar fi scânteile în timpul realimentării cu combustie sau implicațiile pentru crashworthiness) și bateriile cu litiu-ion (posibile eșecuri runaway – lansarea a coincis cu problemele legate de baterie, telefoane).

Unii producători urmăresc alternative electrice și hibride-vehicule electrice. Cu toate acestea, s-a sugerat că un dezavantaj major cu creșterea numărului de trenuri, vehicule electrice și hibrid-electrice utilizate, este cantitățile mari de baterii pentru alimentarea motoarelor electrice și a altor dispozitive electrice. Aceste vehicule folosesc baterii de un fel sau altul (adică acid plumb, litiu-ion etc.) pentru a stoca o sarcină electrică. Dacă bateriile sunt incorect încărcate, bateriile pot fi permanente deteriorat. În plus, dacă sunt lăsate neîncărcate pentru perioade lungi de timp, bateriile pot fi sulfatate sau pot deveni inutilizabile [21].

Mai mult decât atât, acumulatorul este greu, consumă spațiu, întreținere și oferă o viață limitată. Bateriile utilizate în mod obișnuit pentru vehiculele de ultimă generație au o durată de viață medie efectivă de 8-10 ani și trebuie eliminate după ciclul lor de viață, creând astfel un pericol pentru mediul înconjurător. Studiile arată că 20% din bateriile auto sunt aruncate.

Motoarele tipice de combustie sunt alimentate cu hidrocarburi. Aceste motoare cu ardere internă sunt utilizate în general pentru alimentarea directă a vehiculelor sau pentru a acționa generatoarele electrice care asigură alimentarea cu motoare electrice. Aceste motoare au o eficiență standard de aproximativ 33% atunci când sunt fosile și creează poluanți cum ar fi dioxid de carbon (C02), monoxid de carbon (CO), oxid de azot și dioxid (NOx) și hidrocarburi neabsorbante din combustie. În mod tipic, în afară de treimea estimată a combustieului convertit în energia mecanică, o altă treime se transformă în energia termică, iar a 3-a rămasă este regăsită în energia gazelor de eșapament.

Prin comparație, motoarele diesel sunt mai eficiente decât motoarele cu gaz, de aproximativ 40%. Adăugarea de turbo și / sau supraîncărcare, de asemenea, crește eficiența. Eficiența celulelor de combustie variază de la 50 la 60 % [17].

Hidrogenul ca sursă de combustie nu creează emisii pe bază de carbon. Deși motoarele cu ardere internă tip piston pot fi modificate pentru a accepta combustieul pe bază de hidrogen, dezavantajele sunt pre-aprinderea cu hidrogen și nivelurile ridicate de emisii de NOx.

Problemele legate de aprindere apar din cauza energiei de aprindere scăzută a hidrogenului, a intervalului larg de inflamabilitate și a distanței de răcire scurtă. Emisiile NOx ridicate sunt rezultatul amestecării hidrogenului cu aerul atmosferic, care constă în aproximativ 78% azot. Cauza tipică a numerelor NOx ridicate este un raport ridicat de compresie care este utilizat în mod obișnuit în motoare cu combustie internă pe bază de hidrogen pentru a crește puterea. Producția de NOx în camera de ardere poate fi, de asemenea, atribuită variabilelor, cum ar fi raportul aer / combustie, viteza motorului, momentul de aprindere și prezența diluției termice.

Motoarele cu hidrogen pot combate hidrogenul care este extras din tancurile de stocare sub presiune. Aceste rezervoare de stocare sub presiune sunt umplute direct cu hidrogen la fel cum vehiculele curente sunt umplute la o stație de benzină. Trenul cu pilă de combustibie, care se află în curs de dezvoltare de prototip, necesită tehnici similare de alimentare. Stațiile de alimentare cu hidrogen vor fi doar o bucată de o infrastructură imensă de hidrogen dedicată creării, transportului, depozitării și livrării hidrogenului. O astfel de economie de hidrogen va necesita o investiție monumentală a sectorului public și privat. De asemenea, sunt esențiale diseminarea standardelor industriale pentru dispozitivele de alimentare cu combustie și a reglementărilor de siguranță care includ instruirea mandatată pentru a asigura o manipulare adecvată a acestui combustie unic [18].

Hidrogenul ca sursă de combustie poate fi stocat în formă lichidă într-o stare lichidă super-răcită sau în rețeaua unei hidruri metalice. Sistemul criogenic necesar pentru a menține lichefierea este minus 253 grade Celsius pentru hidrogen. Beneficiul acestei abordări este o creștere estimată de 10 ori a densității energetice (peste forma gazoasă comprimată) atât pentru combustie, cât și pentru oxidant.

Hidrogenul lichid îmbunătățește densitatea energetică cu până la 20% față de cea a benzinei. Dezavantajul acestei metode este energia mai mare necesară pentru menținerea sistemului de refrigerare față de energia necesară pentru comprimarea gazelor la presiune joasă (0 la 55 bari) și presiune înaltă (55 la 72 bari) în rezervoare. În timp ce comprimarea gazelor atrage în timpul umplerii tancurile și compresia pot fi stabilizate fără energie suplimentară, refrigerarea necesită o ieșire de energie continuă pentru a păstra starea criogenică sensibilă la temperatură. În cazul unei defecțiuni la sistemul de refrigerare, lichidele revin în mod inerent într-o stare gazoasă care ar necesita rezervoare de dimensiuni suficiente pentru a conține gazele.

Dacă mărimea rezervorului este inadecvată, atunci expansiunea rapidă de la o stare lichidă la cea gazoasă va duce probabil la o rupere a rezervorului și, eventual, la o explozie.

Opțiunea de stocare a hidrogenului ca un solid într-un compus hidrură metalică, nano-suspensie sau altă formă solidă are și dezavantaje. Practicitatea depozitării oxigenului în această formă, așa cum este aplicată, nu este cunoscută. Pentru a avea acces la hidrogenul depozitat ca un solid, este necesară o încălzire pentru a stimula eliberarea hidrogenului din compusul său hidrură metalică, nanoparticule sau altă stare solidă. În plus, deoarece recolta de hidrogen se apropie de epuizare, devine mai dificil de colectat. Impactul ecologic al eliminării hidrurii metalice poate fi abordat prin îndepărtarea hidrură din containerul metalic și eliminarea fiecăruia separat. Depozitarea hidrogenului în nano-tuburi este, în acest moment, o tehnologie necunoscută în ceea ce privește fiabilitatea, riscurile otrăvirii umane și de mediu și, după utilizare, eliminarea poluării, în special a apelor subterane [17].

Capitolul 3

Analiza modului de funcționare a trenului Coradia iLint fără emisii de CO2 provenită de la pila de combustie

3.1. Caracteristicile de funcționare a unui tren de persoane Coradia iLint fără emisii de CO2 provenită de la Celula de combustie

Locomotiva hibridă diesel combină o tehnologie mecanică, cu un motor diesel uriaș. Cantitatea de energie utilizată de anvelope este proporțională cu greutatea pe care o au acestea. Deoarece o mașină este relativ ușoară, această cantitate de energie este acceptabilă (puteți cumpăra anvelope cu rezistență redusă la rulare pentru mașina dvs. dacă doriți să economisiți puțin combustibil). Deoarece un tren cântărește de mii de ori mai mult decât o mașină, rezistența la rulare reprezintă un factor imens în determinarea forței necesare pentru a trage trenul. Roțile de oțel pe tren merg pe un plasture de contact mic – zona de contact dintre fiecare roată și pistă este de aproximativ dimensiunea unui ban. Folosind roți de oțel pe o șină de oțel, cantitatea de deformare este minimizată, ceea ce reduce rezistența la rulare. Dezavantajul folosirii roților din oțel este că nu au o foarte mare forță de frecare la tracțiune [22].

Hidrogenul are o densitate de energie mai mare pe unitate de masă decât benzina sau alți combustibili fosili, dar o densitate de energie mult mai mică pe unitatea de volum. De exemplu, densitatea energetică în masă de metan, propan, benzină, motorină și metanol este de 6,47; 7,33 ; 0,45; 7,71 și respectiv 18.27 kg / 100 kWh. Prin comparație, densitatea energetică pe masă a hidrogenului și a oxigenului la bord este de 22.49 kg / 100 kWh.

Pentru a compensa densitatea energetică mai mică pe unitate de masă, se referă la avantajele cumulate ale recaptării tuturor forțelor pierdute de energie disponibile în timp ce vehiculul este în funcțiune, inclusiv cinetică, frecare, inerție, și pierderile aerodinamice. Cuplat cu o platforma optimizată a vehiculului (adică structura ușoară, configurația redusă a tracțiunii, roțile cu rezistență redusă la rulare și rulmenții cu roți joase), eficiența totală a trenului crește până la nivelul în care acesta poate avea potențialul de a deveni parțial autosusținător. Prin recoltarea pierderilor de energie, trenul va avea capacitatea de a genera combustie la bord în absența unei surse externe de alimentare, cum ar fi o sursă electrică de curent continuu pentru alimentarea electrolizorului.

Gradul de autosustenabilitate al trenului sau capacitatea acestuia de a fi mobil chiar dacă este întrerupt de energia suplimentară externă va depinde de generarea masivă de energie în timp ce se află într-un mod static. În caz de catastrofă naturală sau orice altă întrerupere a alimentării cu combustibil, autonomia parțială a trenului ar putea fi foarte utilă. De exemplu, un vehicul de urgență după un uragan când rețeaua electrică este căzută și este imposibilă pomparea combustibilului de exemplu pentru un vehicul militar tăiat de la liniile de alimentare cu combustibil.

Un exemplu de realizare a capacității autovehiculului de a optimiza capacitatea de stocare a energiei se va baza pe beneficiile cumulative ale absorbției și recaptării sursei de energie disponibilă în timp real. În timp ce economiile efective de energie de la fiecare dispozitiv sau sistem pot varia de la micro-volți până la producția de energie electrică substanțială, suma valorii globale de energie ar trebui să reducă semnificativ necesarul de energie [22].

În mod dinamic sau de funcționare, în funcție de configurația sa, trenul va beneficia de unul sau mai multe dintre următoarele exemple de generare a energiei electrice pentru alimentarea electrolizorului:

Inertie generatoare de roți,

componente de suspensie regenerativă,

amortizoare de regenerare,

generatoare piezoelectrice montate în interiorul anvelopei,

generatoare de vibrații piezoelectrice amplasate pe spate și șasiul corpului,

turbină de evacuare a căldurii de la generator,

generatoare electrice în infraroșu,

energie electrică provenită din energia termică și din frânarea regenerativă.

Acestea pot include un mijloc mai eficient de compensare a electrolizei și a altor dispozitive de recuperare a energiei sau a unor mijloace de generare a energiei care nu au fost încă concepute. Prin răspândirea acestor sisteme individuale de recuperare a energiei prin circuite izolate, un element de redundanță este în mod inerent integrat în sistem. Dacă unul nu reușește, există încă alte mijloace de recuperare a energiei pierdute, care va continua să fie operațională.

Unele trenuri utilizează injecția de apă pentru răcirea camerei de ardere, în scopul de a elimina pre-aprinderea componentelor de hidrogen și oxigen. Un avantaj suplimentar al injectării apei sunt proprietățile sale sinergetice de combustie cu combustibilul pe bază hidrogen și oxigen. Acesta poate fi aplicat pentru a produce mai mult abur în motor pentru a crea mai multă putere.

Apa poate fi injectată cu hidrogen sau oxigen. Alternativ, poate fi injectat separat în capul cilindrului prin alte mijloace. În afară de rata mare de expansiune a aburului, se crede că aburul va ajuta la extragerea căldurii din interiorul motorului. Un lubrifiant care pătrunde în metal sau un ulei sintetic rezistent la temperaturi ridicate poate fi utilizat pentru a asigura o lubrifiere corespunzătoare a inelelor pe pereții cilindrului și a altor părți mobile ale motorului.

Se crede că utilizarea oxigenului la bord atunci când este combinat cu hidrogenul de la bord va avea ca rezultat un amestec de carburant care se poate apropia de o rată de combustie de aproape 100%. Aerul atmosferic uscat este alcătuit din aproximativ 21% oxigen. Aerul rămas este 78% azot și 1% alte gaze (argon, dioxid de carbon, neon, heliu, hidrogen, xenon, ozon și urme de vapori de apă), care sunt toate inerte și nu se vor arde în motoarele convenționale.

Îndepărtarea acestor gaze inerte și necombustibil poate da loc unui volum similar de hidrogen și oxigen puternic combustibil. Se crede că prin modificarea presiunii combustibililor injectați, motoarele cu ardere internă cu deplasare mică pot fi utilizate pentru a genera ieșiri de cai putere substanțiali, păstrând în același timp emisii zero. Deoarece trenul elimină dependența de aerul atmosferic, se elimină arderea azotului și emisiile NOx nocive rezultate în mod normal asociate cu arderea motorului.

Datorită faptului că, combustibilul este complet utilizat și că injecția de apă va permite motorului să funcționeze în condiții de siguranță la o temperatură mai ridicată, se anticipează că eficiența motorului ar putea crește. Conform calculelor matematice, un motor alimentat cu hidrogen și oxigen, cu un raport de comprimare de 14: 1, va avea o eficiență estimată de 65%. Această cifră se apropie de limitele teoretice ale motorului Otto (Un ciclu Otto este un ciclu termodinamic ideal care descrie funcționarea unui motor tipic cu piston cu aprindere prin scânteie. Este ciclul termodinamic cel mai frecvent întâlnit în motoarele automobilelor), care este aproape de 70% [22].

Selectarea amestecului stoichiometric ideal de combustie și, sau injecție de apă, raportul de comprimare, calendarul și alte mijloace de îmbunătățire a performanțelor motorului vor determina eficiența termică reală. Se crede că în anumite aspecte, componente suplimentare, cum ar fi turbocompresoare și, sau unitățile de încărcare utilizate împreună cu un sistem cu buclă închisă care include generatoare de turbine cu evacuare de aburi și alte dispozitive sau sisteme care recuperează căldura motorului pierdut vor spori eficiența generală a motorului.

Există o serie de avantaje ale bazării trenului electric pe tehnologia motorului cu combustie internă față de Celula de combustie. În primul rând, majoritatea vehiculelor în uz și aproximativ 99% din capacitatea de producție la nivel mondial și sculele sunt centrate în jurul motoarelor cu combustie internă (motoare cu piston alternativ, cu două și patru trepte, cu motor diesel, rotativ și altele). Ca atare, volumul mare de producție la nivel mondial dă caracterul intern motor de combustie o unitate economică de cumpărare și reparații. Întrucât celulele de combustie sunt o tehnologie emergentă, ele sunt costisitoare pentru a produce și necesita metale costisitoare cum ar fi platina.

S-a raportat că o pilă de combustibie cu emisii zero generează o producție estimată la 1.000 de dolari pe kilowatt. Dimpotrivă, un motor limitat, cu emisii zero, cu buclă închisă cu combustie internă va costa aproape 50 de dolari pe kilowatt la ieșire.

Chiar dacă prețurile la pilele de combustibie ar scădea cu 75%, vânzarea la 250 $ pe kilowatt produs, ceea ce nu este probabil, un motor cu emisii zero în producția de masă ar putea costa între 30 și 40 de dolari. În al doilea rând, motoarele convenționale au un ciclu de viață util mai lung decât celulele de combustie și nu sunt la fel de sensibile la condițiile de congelare sau uscare [22].

În al treilea rând, un caz evident poate fi făcut pentru reparabilitate. Un motor cu combustie internă poate fi întreținut sau reparat de un dealer, de un service local sau de un individ. Pe de altă parte, repararea celulelor de combustie este o activitate de înaltă tehnologie care este costisitoare și delicată. În cele din urmă, vibrațiile bruște pot deteriora membrana celulelor de combustie, iar impuritățile de combustie pot otrăvi echilibrul chimic delicat al sistemului de operare al celulelor de combustie. Problema reciclării a mii sau a sute de mii de celule de combustiei aruncate nu trebuie abordată încă, ca și cazul lipsei infrastructurii de combustibil pe bază de hidrogen.

În timp ce variantele de realizare ale prezentei invenții încorporează un număr mic de dispozitive de stocare a energiei ca un tampon energetic, majoritatea stocării energiei pot fi obținute prin mijloacele de hidrogen comprimat și oxigen în tancurile de înaltă presiune.

Într-o variantă de realizare, mărimea rezervoarelor de stocare este mai naturală pentru utilizarea în legătură cu vehicule comerciale ușoare sau mijlocii. Se crede că aceste rezervoare au un ciclu de viață estimat de până la 20 de ani de utilizare zilnică. Atunci când presiunea înaltă, gazele H2 și 02 funcționează ca dispozitiv de stocare a energiei, economiile de greutate față de cele mai avansate baterii de ultimă generație pot fi substanțiale. De exemplu, un vehicul de livrare comercială care călătorește 241 km pe zi, consumă 750 KWh pe zi de călătorie dacă este echipat cu cele mai recente baterii litiu-ion suficiente pentru a genera o cantitate echivalentă de energie electrică, acumulatorul ar cântări 8,267 de lire sterline.

Când rezervoarele devin inutilizabile, capacul de siguranță din fibră de carbon poate fi îndepărtat cu ușurință, iar rezervorul de aluminiu poate fi reciclat. În timpul și după coliziune, supapele de siguranță pot preveni instantaneu scurgerile de gaze. Rezervoarele de înaltă presiune au demonstrat, de asemenea, rezistența la pătrunderea prin focuri de armă și obiecte mari. S-au dovedit, de asemenea, că mențin siguranța chiar și atunci când sunt plasați în medii cu temperatură înaltă. Prin urmare, utilizarea tancurilor de joasă și înaltă presiune ca depozitare pentru hidrogen și oxigen este considerată aici ca o formă de realizare a acestei invenții. Spre deosebire de bateriile care sunt sensibile la supraîncărcare sau sub încărcare, rezervoarele de stocare pot fi umplute parțial sau lăsate nesupravegheate de ani de zile fără a afecta în mod negativ funcționalitatea lor [23].

3.2. Configurația trenului cu pilă de combustie

Modelul iLint păstrează aceeași configurație mecanică pentru a permite ca lucrările de omologare să se limiteze doar la modificările necesare pentru a obține acceptarea trenului de propulsie revizuit.

Trenurile prototip vor fi două seturi de vagoane, cu o lungime de aproximativ 54 de metri. Pe fiecare dintre cele două vagoane, sistemul de propulsie va cuprinde:

– rezervoare hidrogen comprimate pe acoperișul secțiunii mediane a fiecărei mașini;

– celula de combustie cu hidrogen de pe acoperișul final al fiecărei mașini;

– un motor de tracțiune AC montat pe caroserie și un convertizor;

– un convertor auxiliar static pentru a furniza acumulator de energie pentru a stoca energia recuperată în timpul frânării, situată în spațiul inferior în pardoseală.

Alstom a colaborat cu experți în tehnologia celulelor de combustie și bateriilor. Celulele de combustie (de la Hydrogenics) iau hidrogen din rezervoarele de combustie de înaltă presiune (Xperion) și o combină cu oxigenul din aer pentru a produce energie electrică cu abur și apă ca produs secundar. Pila de combustie alimentează convertorul auxiliar, pachetul de acumulatori litiu-ion (Akasol) și convertorul de tracțiune.

Eficiența sistemului se bazează pe stocarea energiei în bateriile litiu-ion. Celulele de combustie tind să funcționeze la maximum, dacă acestea funcționează continuu, la o performanță relativ constantă. Bateria stochează energia din celula de combustie când nu este necesară pentru tracțiune și frânare regenerativă atunci când motoarele trenului transformă energia cinetică în energie electrică [23].

Pe scurt, bateriile stochează energia care nu este necesară imediat, pentru a le furniza mai târziu, după cum este necesar. În timpul accelerării, puterea pilei de combustie va fi utilizată în principal pentru tracțiune.

Această specificație tehnică de achiziție definește cerințele generale și tehnice, de management, de asigurare a produsului/procesului, de certificare și de calificare aplicabile pentru seturile de trenuri Coradia LINT dezvoltate de Alstom Transport, S.A. Figura 3.1 servește drept bază tehnică pentru achiziționarea unui produs sau a unei componente dedicate unui anumit subsistem. Acesta oferă o descriere generală a cablajelor care trebuie instalate pe trenuri, pe care Alstom o cere pentru toate contractele platformei Coradia LINT.

Configurația trenului în cadrul platformei Coradia LINT este compusă din vehicule cu 2 autoturisme cu boghiuri Jakobs sau 2 respectiv 3 autovehicule cu 2 boghiuri fiecare:

Fig. 3.1. Configurația trenului [23]

Panourile de comandă A și B sunt situate în vagoanele de conducere; Panoul de comandă C este situate în vagonul de mijloc. Caroseriile sunt de tip bogat Jakob și sunt boghiuri de remorcă. Boghiurile sunt aflate sub cabină, unde pot fi instalate ca o remorcă de conducere, având capacitatea de încărcare de 32 de tone. Greutatea este luată la purtătorul lateral de pe partea superioară a suportului. Nu există nici o greutate la pivotul central. Pivotul acționează numai ca un punct de rotație și ghidare a boghiului.

Fig.3.2. Boghiu [23]

Fig. 3.3. Amenajarea cablajului [23]

Coradia Lint – un design auto diesel-mecanic pe șine, disponibil ca o singură mașină, articulat, seturi de boghiuri cu două mașini sau trei boghiuri. Sunt construite din oțel, cu o înălțime de intrare de aproximativ 630 mm sau 810 mm deasupra șinei.

Pachetul de putere al fiecărui motor este de 335 kW sau 390 kW și are o viteză maximă de 140 km / h. Peste 900 de trenuri au fost construite sau sunt la comandă. Coradia iLint se bazează pe această serie.

Componentele vor fi elementele de configurare ale unui subsistem și, în mod normal, vor suferi un proces complet de dezvoltare. Locațiile cablurilor/cabinet sunt prezentate în figura 3.3:

Roșu = cabluri din modulul plafonului din compartiment

Albastru = caluri pentru cabina șoferului

Maro = cabluri sub-cadru și altele

3.3. Panourile de comandă. Pornirea și oprirea motorului

Un panou de comandă al trenului este un loc central în care se desfășoară tot sau majoritatea controlului electric. Acest panou va include:

Transformatorul principal sau comenzile către transformator, pentru pornirea sau oprirea alimentării cu energie electrică.

Controalele de accelerație, de obicei sunt încorporate în transformator, dar nu întotdeauna, pentru controlul vitezei trenului.

Comutatoarele utilizate pentru control. Acestea sunt întrerupătoare care revin automat la poziția oprită după ce sunt apăsate.

Butoane de comutare pentru control.

Fig. 3. 4. Amplasarea panourile de comandă în tren

În schema electrică, figura 3. 5.(a), (b), (c), de mai jos este prezentată o parte din pornirea și oprirea motorului a unui tren alimentat cu energie electrică provenită de la pile de combustie.

Fig. 3.4.a. Schema electrică [24]

Fig. 3.4.b. Schema electrică [24]

Fig. 3.4.c. Schema electrică [24]

Butonul FA-S101, care prin contactul 13-14 determină:

pornirea motorului, prin apăsarea butonului se trimite un impuls releului cu temporizare normal-deschis FA-K101, determină un semnal de ieșire, unde A1 și A2 se află sub tensiune. Impulsul ajunge la borna B1 a releului de timp cu temporizare care după 5 secunde pornește temporizarea și închide contactul 15-18 astfel încât permite trecerea intensității curentului electric pentru releul FA-K102 care se cuplează.

Același impuls, pentru FA-S101-> ajunge și la intrarea HI_B IN19 al modulului FA-115. Acest modul asigură funcționarea trenului, pornire – oprire.

oprirea motorului – contactul 21-20 de la butonul FA-S102, care se află in stare închisă, permite trecerea unui curent la modulul FA-115 prin intrarea HI_B IN20;

Prin apăsarea butonului, se întrerupe trecerea intensității curentului electric;

De aici modulul primește un semnal pentru oprirea motorului;

Contactul 12-11 de la releul JC-K107 care este în serie cu butonul FA-S102 primește un impuls și decuplează, asigurând oprirea motorului în caz de urgență, frânarea de siguranță.

Releul GC-K109 având un contact normal închis 9-5, dacă, condițiile nu sunt îndeplinite pentru pornirea motorului, atunci releul respectiv primește o comandă de la o unitate și contactul 9-5 se va închide atsfel încât nu mai este posibilă alimentarea releelor FA-K101 și FA-K-102.

Fig. 3.5. Modul automatizat FA-115 Power Pack Automation

Modulul FA-115 PowerPack Automation este o tehnologie inovatoare pentru vehiculele feroviare – de exemplu pentru vagoane feroviare.

PowerPack Automation optimizează controlul, reglarea și monitorizarea întregului sistem de acționare, reprezentând un sistem modular, asigură adaptarea perfectă a sistemului de acționare la cele mai complexe condiții de funcționare în aplicațiile feroviare.

Modulul FA-115 Power Pack Automation permite:

Integrare ușoară în sisteme noi sau, în caz de modernizare, sisteme existente de control al vehiculelor.

Adaptare flexibilă a vehiculului sau la componentele acestuia și la cerințele specifice proiectului.

Reglarea automată a puterii sau, dacă este necesar, oprirea motorului de către sistemul de siguranță integrat, precum și toate celelalte funcții de monitorizare și siguranță necesare.

Optimizarea tracțiunii prin funcția integrată de gestionare a încărcării (controlul cuplului) în funcție de consumatorii conectați (de exemplu, generator, compresor).

Astfel, noua generație Power Pack oferă:

Eficiență ridicată a consumului de energie

Cel mai mic consum de combustibil

Emisiile minime de evacuare care sunt considerabil mai mici decât cerințele legale.

Soluții flexibile și standardizate de interfață

Interfață la sistemul informatic central al sistemului de transport feroviar, inclusiv componentele sistemului de acționare.

Concluzii

Celulele de combustie sunt utilizate pentru alimentarea primară și de rezervă pentru clădirile comerciale, industriale și rezidențiale și în zonele îndepărtate sau inaccesibile.

Trenul cu pile de combustie, este o alternativă ecologică și economică pentru propulsia diesel tradițională. Hidrogenul îndeplinește toate cerințele esențiale pentru calea ferată, este o tehnologie matură și eficientă, dovedită după decenii de cercetare și de securitate. Trenurile încorporate, cu celulă de combustie, alte tehnologii de eficiență energetică, cum ar fi bateriile de stocare a energiei și a sistemelor inteligente de gestiune și de recuperare a energiei.

Pila de combustibe Coralia iLint este nucleul sistemului, sursa primară de energie pentru a propulsa trenul. Acestea sunt alimentate la cerere cu hidrogen.

Pila de combustibie furnizează energie electrică prin combinarea hidrogenului stocat în tancurile de la bord cu oxigenul din aerul înconjurător Eficiența sistemului se bazează pe stocarea energiei în bateriile litiu-ion. Pilele sau (celulele) de combustie tind să funcționeze la maxim, dacă acestea funcționează continuu la o performanță relativ constantă.

Fig. 4.1. Interiorul unui panou de comandă

Bateria stochează energia din celula de combustie când nu este utilizată pentru tracțiune iar frânarea regenerativă este utilizată atunci când motoarele trenului transformă energia cinetică în energie electrică. Pe scurt, bateriile stochează energia care nu este necesară imediat, pentru a o furniza mai târziu, după cum este nevoie.

În timpul fazelor de accelerare mai redusă, la viteză constantă, o parte a puterii pilei de combustie va fi utilizată pentru a reîncărca bateria și a o furniza sistemelor electrice de la bord. Când bateria este complet încărcată, ieșirea pilei de combustibil va fi redusă astfel încât să furnizeze doar convertizorul auxiliar sau sistemele de la bord. Acest lucru va reduce consumul de hidrogen. În timpul frânării, Celulele de combustie sunt aproape complet oprite. Invertorul de tracțiune alimentează legătura DC cu energia electrică generată de motor din energia cinetică a vehiculului.

Planurile de proiectare arată că hidrogenul este depozitat sub formă de gaz în rezervoarele de pe acoperișul trenului, iar energia cinetică generate la frânare de tren este stochată sub formă de energie – inclusiv cea generată în timpul frânării – în bateriile litiu-ion, pentru a accelera atunci când este necesar. Se preconizează o viteză maximă de 140 km/h, cu o capacitate a trenului de maxim 300 de pasageri.

Fig. 4.2. Amplasarea panourile de comandă în tren

Coradia iLint este un nou tren regional regional fără emisii de CO2 și o alternativă la puterea generate de motorul Diesel. Este alimentat de o celulă de combustie cu hidrogen, singura emisie în timp ce funcționează fiind aburul și apa condensată, cu un nivel scăzut de zgomot. Trenul de transmisie este inima vehiculului, iar șasiul, caroseria, accesoriile și echipamentul auxiliar au efecte cuantificabile ușor asupra performanței vehiculului, având un effect mai mic decât trenul de transmisie.

Care este cea mai potrivită metoda de alimentare a trenurilor pentru o cale ferată mai curată? Celule de combustie cu hidrogen sau cu baterii: cum se vor alimenta trenurile de mâine? Nu există nici un răspuns corect sau greșit. Depinde de sistemul feroviar existent și de obiectivele organizației feroviare. Investigarea alternativelor la electrificarea sau la motoarele diesel sunt date de costurile infrastructurii sau combustibilului, dorința sau cerința de a reduce emisiile în mediul ambiant și de a se evita electrificarea aerienă din cauza poluării vizuale.

Hidrogenul pare a fi cea mai bună alternativă în tehnologia actuală, dar imaginea se poate schimba, în ceea ce privește costurile, odată cu dezvoltarea atât a bateriilor, cât și a celulelor de combustie.

Celulele de combustie pot deveni mult mai ieftine atunci când vor fi produse în masă, în timp ce bateriile sunt deja produse în masă, iar reducerea preconizată a prețurilor în viitor va proveni în mare parte din progresele tehnologice.

Principalul dezavantaj al hidrogenului este indisponibilitatea tehnologiei și a riscurilor legate de faptul că este primul motor utilizat în industria transporturilor. Nu există nici o îndoială că celulele de combustie cu hidrogen și bateriile aferente vor juca un rol esențial în reducerea emisiilor, și ambele vin cu propriile avantaje și dezavantaje. Cu toate acestea, este acceptat faptul că sunt metode care promit în viitor – în afară de electrificarea în masă – prin care să se elimine metoda consumului de motorină.

Planul de viitor este de a rula linia Coradia iLint pe linii neelectrice, considerându-l ca o alternativă mai ieftină și mai rapidă la electrificarea în masă. Singura emisie a trenului este aburul și produce un nivel de zgomot foarte scăzut, comparativ cu un motor diesel.

Bibliografie

[1] http://www.creeaza.com/referate/chimie/Pile-de-combustie318.php

[2] ["Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)". FCTec.com, accessed 9 August 2011 Archived 3 March 2012 at the Wayback Machine.]

[3] "Types of Fuel Cells". Department of Energy EERE website, accessed 4 August 2011

[4] Stambouli, A. Boudghene (2002). "Solid oxide fuel cells (SOFCs): a review of an environmentally clean and efficient source of energy". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 6 (5): 433–455. doi:10.1016/S1364-0321(02)00014-X

[5] ["Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)". FCTec website', accessed 4 August 2011 Archived 8 January 2012 at the Wayback Machine.]

[6] "The Ceres Cell". Ceres Power website, accessed 4 August 2011 Archived 13 December 2013 at the Wayback Machine.]

[7] http://americanhistory.si.edu/fuelcells/phos/pafcmain.htm "Collecting the History of Phosphoric Acid Fuel Cells".

[8] http://energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells#phosphoric "Phosphoric Acid Fuel Cells". scopeWe – a Virtual Engineer.

[9]  Dohle, H.; Mergel, J. & Stolten, D.: Heat and power management of a direct-methanol-fuel-cell (DMFC) system, Journal of Power Sources, 2002, 111, 268-282.]

[10] [ Wei, Yongsheng; et al. (2012). "A novel membrane for DMFC – Na2Ti3O7 Nanotubes/Nafion composite membrane: Performances studies". International Journal of Hydrogen Energy. 37 (2): 1857–1864. doi:10.1016/j.ijhydene.2011.08.107.

[11] Almheiri, Saif; Hongtan Liu (2014). "Separate measurement of current density under land and channel in Direct Methanol Fuel Cells". Journal of Power Sources. 246: 899–905. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.08.029.

[12]  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1112904?journalCode=jacsat

[13] Toleranța limitată de monoxid de carbon a unor catozi (non-PEDOT).

"Water_and_Air_Management". Ika.rwth-aachen.de. Archived from the original on 14 January 2009. Retrieved 2009-09-21.

[14] ’’Jump up’’ Andersson, M.; Beale, S. B.; Espinoza, M.; Wu, Z.; Lehnert, W.(2016.10.15) ’’ A review of cell-scale multiphase flow modeling, including water management, in polymer electrolyte fuel cells’’. Applied Energy. 180:757-778. Doi:10.1016/j. apenergy.2016.08.010.

[15] https://www3.nd.edu/~msen/Teaching/DirStudies/FuelCells.pdf

[16]  ’’Jump up’’ Millington, Ben, Shangfeng Du, and Bruno G. Pollet. "The Effect of Materials on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Electrode Performance." Journal of Power Sources 196.21 (2011): 9013-017. Web.

[17] Donald E. Moriarty, Provo. (2014). STATIONARY ZERO EMISSIONS SYSTEM

[18] www.de.alstom.com CORADIA LINT Attractive Solutions for your Region – Retrieved on 2010-05-01

[19]http://www.mobility.siemens.com/mobility/global/en/urban-mobility/rail-solutions/commuter-and-regional-trains/desiro/Pages/desiro.aspx

[20]http://h168.it.helsinki.fi/emudmu/Guide%20to%20Modern%20European%20electric%20and%20diesel%20powered%20regional%20trains.docx

[21] http://www.greencarcongress.com/2016/09/alstom-unveils-hydrogen-fuel-cell-regional-train-coradia-ilint.html

[22] Wu, Chih. Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization. New York: M. Dekker, 2004. Print.

[23] Flinders, F.; Mathew, R.; Oghanna, W. , Energy savings through regenerative braking using retrofit converters ,Railroad Conference, 1995., Proceedings of the 1995,IEEE/ASME,Joint Volume , Issue , 4-6 Apr 1995 Page(s):55 – 61

[24] Hill, R.J. – Electric railway traction. I. Electric traction and DC traction motor drives ,Power Engineering Journal [see also Power Engineer] Volume 8, Issue 1, Feb 1994 Page(s):47 – 56