Сергей Мусский - 100 великих чудес техники
Топливный элемент впервые увидел свет в 1839 году, когда английский физик Уильям Грув получил ток в результате электрохимической реакции водорода с кислородом. Тему стали интенсивно разрабатывать в 1960-е и 1970-е годы, когда двигатели с топливными элементами впервые применили в космической промышленности.
Как обычно проходит преобразование химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях? Сначала тепловая энергия, выделяющаяся при горении, превращается в кинетическую энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И, наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
В топливном элементе химическая энергия топлива сразу трансформируется в электрическую. Топливный элемент, или электрохимический генератор, – это техническое устройство, где протекает реакция окисления топлива, в ходе которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, спирт, аммиак и углеводороды (природный газ, нефть), а окислителем (горение есть реакция окисления) – кислород, азотная кислота и др.
Конструкция топливного элемента проста. Это сосуд с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива (на анод) и окислителя (на катод). На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и уходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода – образуются отрицательные ионы. Последние проходят через электролит и соединяются с положительными ионами водорода. Так возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрическим генератором. Кроме электроэнергии в нем образуется еще и побочный продукт – дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, – пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. – А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе металлы, и в частности – алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.
Оксид алюминия (основной компонент глинозема) переводят при помощи хлористого кальция в хлорид алюминия и отправляют в реактор. Туда же поступают и пары металлического натрия, который получают нагреванием соды с углем. Таким образом, в реакторе образуется раствор натрия, перемешанный с расплавом алюминия, и создаются условия для одновременного возникновения множественных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций и получается жидкий алюминий. Некоторые из таких реакций идут с выделением тепла, что, разумеется, снижает энергоемкость процесса производства. Само же производство оказывается и проще, и дешевле, чем традиционный электролиз, и к тому же гораздо чище экологически».
Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. Это позволит решить сразу две задачи. Во-первых, ускорит решение проблемы автомобильного топлива. Во-вторых, кузов автомобиля можно будет производить из легкого и не поддающегося коррозии материала, что приведет к значительному снижению его веса. А снижение веса автомобиля позволит уменьшить энергозатраты при движении.
Воздушно-алюминиевые топливные элементы уже сегодня выпускаются во многих странах, в том числе и в России. Но особый интерес проявили к ним японцы. Они производят их по несколько десятков миллионов в год. Японцы не скрывают намерений в скором времени наладить выпуск электромобилей на алюминии.
Одним из пионеров внедрения этой технологии в автомобилестроение считается фирма «Мерседес-Бенц» (ныне «Даймлер-Крайслер»). В 1994 году на базе фургона ею был построен прототип автомобиля с топливными элементами «Некар-1». Спустя еще два года подобной силовой установкой оснастили пассажирский автомобиль V-класса. Новой ступенью стала премьера «Некара-3», использующего в качестве топлива метанол. Как пишет журнал «За рулем»: «Отличительная особенность этой модели – отсутствие батарей для хранения энергии. Процесс в системе происходит напрямую – при нажатии на педаль акселератора около девяносто процентов максимальной мощности доступно уже спустя менее двух секунд. Как следствие – достойная разгонная динамика машины, вполне сопоставимая с обычными дизельными или бензиновыми моделями. Что касается топлива, то применение метанола не требует каких-либо особых мер безопасности, а процесс заправки автомобиля мало чем отличается от заполнения бака бензином. Кстати, топливный бак «Некар-3» вмещает 38 литров топлива, на котором машина способна преодолеть 400 километров. Этот, казалось бы, уже неплохой результат побил «Некар-4» – следующий и наверняка не последний прототип на пути к массовой продукции.
Помимо концерна "Даймлер-Крайслер", исследования и разработку автомобилей с топливными элементами ведут многие фирмы – «Форд» и "Вольво", «Ниссан» и "Рено", "Мазда"… И хотя предстоит еще решить массу проблем на пути к серийному выпуску таких машин, по прогнозам "Даймлер-Крайслер", одна только эта компания сможет наладить выпуск от 40 до 100 тысяч штук автомобилей на топливных элементах уже в ближайшие 4-5 лет».
Ги Негр, конструктор «Формулы-1», основал фирму MDI, где занялся созданием нового двигателя – гибридного. В нем в качестве топлива, в частности, может выступать воздух!
Негр решил отказаться от классической схемы, когда все действия происходят в одном цилиндре. У него используется два: один объемом в 270, а другой в 755 кубических сантиметров. Цилиндры соединены клапанами со сферической камерой в 20 кубических сантиметров.
При работе двигателя на бензине в малом цилиндре происходит всасывание и сжатие горючей смеси, которая затем выталкивается в камеру сгорания. Там она поджигается искровым разрядом и сгорает при постоянном объеме (оба клапана камеры закрыты). Затем открывается клапан, ведущий в цилиндр расширения (большой).
У такой схемы ряд преимуществ. Фаза сгорания отделена от расширения и намного продолжительнее, чем в обычном двигателе, поэтому новый мотор может работать на предельно обедненных, медленно горящих смесях, ему не нужен глушитель, а токсичность выхлопа сравнима с обычным городским воздухом.
При работе на сжатом воздухе процессы в двигателе практически не изменяются. Казалось, цель достигнута, но Ги Негр принялся за новый двигатель и новый автомобиль. Он назвал его TOP – «такси с нулевым загрязнением». Такое название отражает концепцию: в этой машине не будет бензиновой подпитки, только сжатый воздух.
