Топливные элементы – автомобилю

Проблема энергоснабжения автомобилей будущего десяток лет волнует специалистов многих стран. Как средство, радикально решающее проблему выброса токсичных веществ в атмосферу, ими однозначно выбран электропривод. В этой области – громадный задел технических наработок. Весь вопрос в том, как наиболее рационально питать электромоторы энергией, сохраняя для будущих поколений запасы нефти. Пока самым дешевым источником тока на наземном транспорте являются свинцово-кислотные батареи. Однако их необходимо заряжать, а для этого в большинстве случаев приходится сжигать ту же нефть и портить атмосферу. Получается заколдованный круг. Невольно встает вопрос: а можно ли вырабатывать электроэнергию на борту автомобиля? Это еще лет пятнадцать назад можно было бы отнести к области фантастики. Сегодня же известно, что конструкторы космических кораблей давно справились с подобной задачей. Они уже с 60-х годов применяют электрохимические генераторы (ЭХГ), в основе которых батарея так называемых топливных элементов. Что же они из себя представляют?

Изобретателем топливного элемента является американский судья, исследователь-любитель Уильям Гроув, который еще в 1839 г. с его помощью получил электрический ток. Он сумел создать условия, при которых происходила реакция окисления водорода, в результате чего получалась вода и направленный поток электронов – электрический ток. Сегодня многие гиганты индустрии Запада пытаются наладить выпуск относительно дешевых топливных элементов.

Конструктивно современный ЭХГ выглядит так. Ячейка в корпусе кроме двух электродов содержит разделительную мембрану, на которую в качестве катализатора нанесен слой платины. Внутри ячейки циркулирует вода для отвода тепла. К одному из электродов подается водород, а к другому – кислород. Под действием катализатора молекула водорода расщепляется на электроны и протоны. Протоны, пройдя через мембрану, попадают в «кислородную» зону ячейки и, соединяясь с ним, образуют воду. При этом недостаток электронов восполняется за счет свободных электронов в металле анода, а образовавшийся в другой ячейке их избыток уходит в катод, благодаря чему и удается получить электрический ток. Для регулирования процессов, происходящих в ЭХГ, применяются автоматические системы.

Автомобильные ЭХГ, разработанные крупнейшими мировыми автомобилестроителями, работают при температуре 60 – 100°С, имеют КПД, вдвое превышающий КПД двигателя внутреннего сгорания, однако на пути к их широкому использованию на наземном транспорте стоит множество проблем.

Одна из них: как хранить на автомобиле запасы водорода и кислорода, газы, смешивание которых ведет к образованию взрывоопасной смеси? Вариантов решения несколько. На опытных образцах можно встретить баллоны, в которых каждый из газов находится под высоким давлением. «Минусы» такого подхода очевидны: большая масса баллонов и их малая емкость. Дорогая криогенная техника позволяет хранить газы в жидком виде при низких температурах, но их поддержание на автомобиле уже само является проблемой. Более привлекательно выглядит получение водорода непосредственно на автомобиле из специального материала – гидрида, подвергая его нагреву. Гидриды адсорбируют водород (к примеру, один грамм способен впитать в себя 250 см³ водорода), однако фирмы, использующие подобный способ хранения газа, держат в секрете состав своих гидридов. Это обстоятельство, естественно, не способствует скорому появлению автомобилей с топливными элементами на дорогах. В лидеры выходят концерны, располагающие огромными финансовыми средствами на исследовательские работы.

Химики, однако, преподнесли автостроителям долгожданный подарок. Они разработали технологию выделения водорода из реформера – углеводородного топлива – прямо на автомобиле. В качестве реформера рассматривается метанол или бензин. В таком случае электромобиль можно заправлять на обычных бензоколонках, но из-за высокого КПД топливных элементов расход горючего получается немного меньше, чем у обычных машин с бензиновыми моторами.

Ну а какова же масса электромобиля с топливными элементами? Увы, пока она велика и превосходит на 120 – 200 кг аналогичные машины, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Тем не менее, работа по продвижению образцов электромобилей с топливными элементами на автомобильный рынок ведется впечатляющими темпами. Сегодня даже можно говорить о единственном в мире транспортном средстве с ЭХГ, которое продается обычным покупателям – это переднеприводный электромобиль Toyota RAV4-EV, выпуск которого налажен несколько лет назад.

Вплотную подошли к началу серийного производства таких машин концерны General Motors и DaimlerChrysler. На осеннем автосалоне во Франкфурте GM показал почти готовый к продажам мини-вэн HydroGen3 с батареей из 200 последовательно соединенных топливных элементов, способной непрерывно вырабатывать 94 кВт электроэнергии, поступающей к электромотору мощностью 82 л.с. и с максимальным крутящим моментом 214 Нм. Он сблокирован с планетарной передачей и может работать при числе оборотов, равном 12 000 в минуту. При одинаковом кузове на разгон с места до 100 км/ч HydroGen3 тратит 16 с – всего на 2 с больше, чем автомобиль Opel Zafira с двухлитровым мотором. Максимальная скорость электромобиля ограничена 150 км/ч, уровнем бензинового аналога.

HydroGen3 под капотом имеет ЭХГ, получающий водород из криогенного хранителя жидководородного топлива, температура в котором поддерживается на уровне –253оС. Заправочный узел баллона выполнен совместимым с заправочными узлами газгольдерных станций крупных немецких городов, что делает беспроблемной его заправку для горожан. В настоящее время этот электромобиль с радиусом действия 400 км после заправки – наивысшее европейское достижение в области автомобильной техники с ЭХГ.

Ну а что же у нас, в России? Оказывается, и в этой, пока экзотической области автомобилестроения нам есть, чем гордиться. Сэкономив сотни тысяч долларов на НИОКР, «АвтоВАЗ» построил экспериментальный автомобиль с кузовом «Нивы» ВАЗ-2131, снабженный ЭХГ, созданным Ракетно-космической корпорацией «Энергия» для «Бурана». Сам агрегат, изготовленный более 10 лет назад и хранившийся на складе опытного завода, был извлечен по просьбе автомобилестроителей и занял свое место в багажнике. Водородом и кислородом он питается из баллонов, в которых газы содержатся под давлением 280 кг/см². «Бурановский» электрохимический генератор выдает 25 кВт при ресурсе агрегата в 5 тыс. ч, что в 2 раза превышает ресурс обычного бензинового двигателя. Запускается на режим ЭХГ пока в течение полутора часов, при этом запаса газов на машине хватает на 250 км пробега.

Разработчики предоставили возможность журналистам попробовать экзотическую новинку на ходу. Впечатлений она оставила массу. Во-первых, внешне «Лада-АНТЭЛ» (АНТЭЛ – окроним слов «автомобиль на топливных элементах») ничем не отличается от стандартной «Нивы» ВАЗ-2131. Машина управляется при помощи двух педалей: тормоза и «газа». Основное внимание при движении следует уделять вольтметру, показывающему напряжение, выдаваемое ЭХГ. При работе оно должно превышать 120 V. Для начала движения нужно просто нажать на педаль «газа». Электромобиль плавно начнет разгоняться, причем в отличие от обычных автомобилей непривычно тихо. Характерный «транзисторный» свист издает лишь блок управления ЭХГ, но, по словам разработчиков, вскоре он полностью исчезнет.

Разгон иначе как вялым не назовешь. Зато после набора максимальной скорости 80 км/ч остановить 1,57-тонный электромобиль – большая проблема. Ведь за неимением ДВС нет и разрежения в его впускном тракте, а значит, не может работать и стандартный «вазовский» вакуумный усилитель тормозов. Это «издержки». Теперь о выбросах: после 10-километрового пробега из ЭХГ выливается на дорогу слабая струйка воды. Это естественный и единственный отход при работе генератора. То, что машина двигается без двигателя внутреннего сгорания, и не используя энергию аккумуляторов, долго не укладывается в голове. Слишком непривычно, что она работает всего лишь на водороде и кислороде.

Представленный вазовцами ходовой макет подтвердил, что «игра» с топливными элементами, безусловно, «стоит свеч». Положено начало дальнейшим исследованиям, включающим оснащение машины системой рекуперации электроэнергии, установкой, добывающей водород из углеводородного топлива на борту машины и т.д.

Как заявили разработчики, первый серийный автомобиль с необычной силовой установкой они смогут предложить на рынок не ранее, чем через 10 лет. Сколько он будет стоить, пока никому не известно. И все же появление экспериментального образца «Лада-АНТЭЛ» радует. Все-таки и мы «не лыком шиты»! Благодаря космическим достижениям в данной перспективной области НИОКР Россия не так уж сильно отстает от ведущих стран Запада.

От редактора. Когда мы связались с РКК «Энергия», то с изумлением узнали, что «...все про нас есть на сайте. А чего нет, то секретно». Вы знаете, по-английски журнал – Magazin. Наш журнал – это натуральный «магазин». Хоть по-английски, хоть по-русски. И мы ЗА ПРОДАЖИ!!! Но тут нам не понятно. Что хочет продавать «Энергия»: разработки или секретность? И как можно превращать в государственную тайну проспект, розданный в тысячах экземпляров? Впрочем, бизнес есть бизнес, и каждый имеет право делать дела так, как считает нужным...