Еще в 1839 году англичанин сэр Вильям Роберт Гров, судья и профессор физики, открыл и описал метод производства электроэнергии с помощью кислорода и водорода в топливном элементе. Ведущие ученые считают эту технологию не менее революционной и значимой для автомобилестроения, чем четырехтактный двигатель, изобретенный лишь 40 лет спустя немцем Николаусом Августом Отто. Однако ДВС на рубеже веков победил благодаря относительной простоте изготовления и дешевизне топлива. Хотя в 1916 году та же GM разработала грузовик с электрической силовой установкой. Автомобили с альтернативными ДВС двигателями в начале века представляли и другие компании. Но, увы, реальный рынок тогда не мог (и до сих пор не особенно желает) воспринять слишком смелые и слишком дорогие средства передвижения.
В середине 80-х инженеры GM создали новый тип топливного элемента с мембраной, проводящей протоны и играющей роль электролита. С тех пор работы не прекращались. Причем некоторые исследования проводились на гранты правительства. Итогом стали спортивные электромобили Impact, развивающие скорость до 160 км/ч, седан HX3 с гибридной установкой и многие другие концептуальные разработки, в том числе описанный в одном из недавних выпусков "Эксперта-Авто" автомобиль Precept. Наконец, появился EV1 , который уже выбрали в качестве основного средства передвижения сотни американцев.
Рис. Схема энергопитания автомобиля на водородных топливных элементах.
Как же устроен топливный элемент? Основными его элементами являются топливный электрод (анод), кислородный электрод (катод) и электролит. Анод и катод представляют собой электропроводящие пластины, имеющие внутренние каналы, которые разделены полимерной мембраной, играющей роль электролита. Если анод окружается водородом, электроны отделяются от катализатора и образующиеся в результате положительно заряженные атомы (протоны) проходят через электролит к катоду. Разница в электрическом заряде приводит к появлению между электродами электрического напряжения порядка 0,7 вольта. С другой стороны, положительно заряженные ионы водорода - протоны - соединяются с отрицательно заряженными ионами кислорода, чтобы превратиться в воду. Таким образом, не производится никаких газообразных выбросов. Водород и кислород вступают в реакцию и образуют воду при температуре 80 градусов по Цельсию и, в зависимости от условий, вырабатывают в батарее электроэнергию напряжением от 125 до 200 вольт. Топливные элементы последнего поколения, разработанные SWB, функционируют при 60№ С и отдают до 10 кВт мощности.
Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (почти в 3 раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив), уникальными кинетическими характеристиками. Он является идеальным экологически чистым топливом, так как в продуктах его сгорания отсутствуют углекислый газ. окись углерода, несгоревшие углеводороды.
Однако, при всех своих преимуществах, водород обладает одним существенным недостатком - крайне низкой плотностью, в результате чего его объемные энергетические показатели значительно ниже, чем у традиционных топлив. В настоящее время известны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Существующие системы хранения водорода в баллонах высокого давления громоздки и позволяют запасать всего 2-2,5% веса системы, что явно недостаточно для обеспечения требуемого запаса хода при приемлемых массовых и объемных показателях. В настоящее время изучаются возможности создания и применения на автотранспорте системы хранения сжатого водорода в сверхлегких баллонах высокого давления с привлечением конверсионных технологий и производств. Подобные системы будут уже в состоянии обеспечить приемлемый запас хода на водороде, например, для городского пассажирского транспорта. Хранение водорода в металлогидридных аккумуляторах весьма привлекательно в силу простоты и безопасности хранения и обслуживания последних. Однако они также характеризуются весьма низкими возможностями по запасу водорода и большой сложностью . Например, наиболее подходящие с точки зрения стоимости и термодинамической совместимости с тепловым двигателем железотитановые гидриды способны поглощать водорода всего 1,5-2% от веса самого гидрида. Тем не менее автомобиль с водородным двигателем и метал-логидридным аккумулятором имеет лучшие показатели по массе и запасу хода, чем существующие и перспективные типы электромобилей. Наилучший по знергоплотности из всех рассматриваем способов хранения водорода - криогенный - также уступает по этому показателю нефтяным топливам примерно на порядок, не говоря уже о том. что в техническом отношении он неизмеримо сложнее и дороже систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топлив. Поэтому применение водорода в автомобиле сразу упирается в проблему энерговооруженности (или. пройде говоря, запаса хода)автомобиля.
Выход из этой ситуации может быть найден, если в качестве энергоносителя на автомобиле использовать не сам водород, а какое-либо сырье с приемлемой энергоплотностью, из которого прямо на борту автомобиля можно было бы путем конверсии (химического разложения) получать высоконасыщенное водородсодержащее топливо. Эта идея отнюдь не нова. Примером ее практической реализации могут служить газогенераторные автомобили, сравнительно широко применявшиеся в 30-40-е годы. Роль сырья для получения водородсодержащего топлива может играть и любое традиционное нефтяное топливо, например бензин, поскольку массовое содержание водорода в нем составляет 10-15%. Однако известные методы конверсии бензина в водородсодержащее топливо имеют ряд недостатков, ограничивающих возможности их применения на автомобиле. К ним следует отнести высокие температуры процесса, значительные энергетические потери, сравнительно невысокий выход целевого продукта, склонность к образованию сажи и тяжелых смолистых соединений, вызывающих закоксовывание реактора (генератора водородсодержащего топлива), отравление каталитической насадки реактора сернистыми соединениями, содержащимися в бензине (в случае каталитической конверсии). Проблема экономии нефтяных ресурсов в этом случае практически не решается.
Между тем существует идеальный кандидат на роль энергоносителя, из которого может быть получено водородсодержащее топливо. Им является метиловый спирт (метанол).
Метанол лишь в два раза уступает бензину по энергоплотности, проблемы его хранения и транспортировки практически не отличаются от таковых для бензинов. Водородсодержащее топливо - синтез-газ, содержащий от 2/3 до 3/4 водорода по объему, - может быть получено из метанола путем каталитического разложения:
СНзОН - 2На+СО
(сухая конверсия) или в присутствии воды
СНзОН+Н,0 - ЗН.+СО,
(паровая конверсия)
при сравнительно низких температурах -до плюс 500№С при использовании традиционных катализаторов на основе благородных металлов, а при подборе соответствующих катализаторов - плюс 250-350№С. Выход целевого продукта при этом составляет от 80 до 98%. В продуктах реакции разложения метанола практически полностью отсутствуют тяжелые углеводородные соединения, способные вызвать закоксовывание реактора.
Стоит заметить, что автомобилестроение - далеко не единственная отрасль, в которой используются технологии топливных элементов. Они нашли применение, например, в бортовых системах американских космических аппаратов Gemini и Apollo еще в 60-е годы. В наши дни Гамбургская электрическая и газовая компания эксплуатирует две электростанции на топливных элементах, которые обогревают и снабжают электричеством дома. И таких примеров - множество. Словом, есть опыт, на который можно опереться.
Весь вопрос в том, когда эти или подобные - безвредные, тихие и веселые - автомобили в массовом порядке начнут вытеснять транспортные средства с ДВС. В принципе рубеж обозначен: 2030 год. Но специалисты GAPC уверены, что серийное производство машин с альтернативными двигателями начнется уже в ближайшие годы. Причем они будут находиться в том же ценовом диапазоне, что и аналогичные дизельные модели. Другое дело, что проблем на этом пути предстоит решить немало