© H-racer

3 нояб 2015 09:12

Простые вопросы 4347

Как работают топливные элементы?

Водородный автомобиль уже поступил в открытую продажу – и не исключено, что именно такие машины (а не набирающие популярность электромобили) со временем будут на дорогах в подавляющем большинстве. Но как выясняется, не все до конца в курсе процессов, благодаря которым водородные автомобили могут ездить неcильно хуже привычных нам бензиновых.

Для начала надо лишний раз вспомнить, что есть две принципиально разных конструкции, подходящих под определение "водородный автомобиль". Первая – это машина с привычным двигателем внутреннего сгорания, внутри которого вместо смеси бензина и воздуха сгорает смесь водорода и воздуха. Примитивный прото-автомобиль с таким мотором еще больше двухсот лет назад построил в Швейцарии некто Исаак де Риваз. А в шестидесятых годах XIX века (то есть лет за двадцать до появления первых автомобилей Бенца и Даймлера) француз Этьен Ленуар создал вполне работоспобный Hippomobile, на котором передвигался со скоростью 6 км/ч. По некоторым данным, Ленуар смог выпустить аж несколько сотен машин (в том числе одну для русского царя Александра II) – хотя верится во все это с большим трудом.

Так или иначе, с водородными двигателями внутреннего сгорания более или менее активно экспериментировали весь XX век. Некоторые автомобили даже выпускались небольшими партиями – к примеру, би-топливная BMW Hydrogen 7 с адаптированной к потреблению водорода версией 6-литрового мотора конфигурации V12. Рассчитанный на 8 кг жидкого водорода бак позволял проехать на одной заправке около 200 километров. Однако уже в момент появления на свет Hydrogen 7 (2005 год) было очевидно, что более перспективным решением являются т.н. топливные элементы.

Чтобы поддерживать водород в жидком состоянии, нужна сверхнизкая температура (ниже чем минус 250 градусов). Поэтому не использующийся водород на BMW Hydrogen 7 "выдыхался" за 10-12 дней: температура повышалась, жидкость закипала, давление в баке увеличивалось - и предохранительная система стравливала излишки в атмосферу.

Этой технологии также больше 150 лет в обед – первые рабочие экземпляры были продемонстрированы британским ученым Вильямом Гроувом еще в 1842 году. А первые транспортные средства с использованием топливных элементов были построены в конце пятидесятых-начале шестидесятых годов XX века. Вообще-то такие машины не будет ошибкой назвать электромобилями – ведь источником крутящего момента является электромотор. А источником энергии для него служат топливные элементы. Главное преимущество такой схемы – высокий КПД. Если у бензинового двигателя внутреннего сгорания он не дотягивается до 40%, а у водородного двигателя внутреннего сгорания составляет чуть больше 40%, то в случае с топливным элементом речь идет о 60%, а наиболее оптимистичные ученые обещают и 80, и чуть ли не 100%.

Каждый из топливных элементов – это компактный реактор, вырабатывающий электричество путем химической реакции. Выглядит это следующим образом. Водород, попав внутрь топливного элемента, вступает в контакт с первым электродом (пористой пластиной, сделанной из углерода) – точнее, с покрывающей его поверхность платиной. Реакция представляет собой деление атомов водорода на протоны и электроны. Электрический ток представляет собой движение электронов – и электроны по электроду "убегают" в энергетическую сеть автомобиля.

Протоны же, не покидая пределов топливного элемента, движутся ко второму электроду сквозь т.н. протонообменную мембрану, выполняющую функции электролита. Она сделана из сложного полимера, который позволяет протонам проникать сквозь мембрану, но блокирует доступ электронов. Второй электрод (также представляющий собой покрытую платиной пластину) находится на противоположном конце электрической цепи, по которой бегут электроны, - таким образом, на нем  протоны и электроны соединяются. Впрочем, сами по себе они этого не сделают – нужно подать на второй электрод кислород, чтобы его отрицательно заряженные атомы притягивали положительно заряженные протоны водорода. Объединение всех участвующих в реакции частиц приводит к образованию безобидного выхлопа в виде обычной воды.

Один топливный элемент генерирует меньше 1 Вт энергии – и чтобы получить необходимую для движения автомобиля мощность, множество ячеек объединяется в большие блоки. Кстати, сразу же возникает вопрос долговечности топливных элементов – не понадобится ли время от времени их замена? На сегодня средняя продолжительность жизни топливного элемента – 2 000 рабочих часов, что ученые считают эквивалентным пробегу в 100 000 километров. Отдельные экспериментальные образцы элементов в идеальных условиях "живут" уже 20 000 рабочих часов, то есть при по-настоящему массовом производстве речь о регулярной замене блоков идти не будет.

В этом году Toyota Mirai стала первым водородным автомобилем, поступившим в открытую продажу (до этого Honda предлагала машины в лизинг избранным клиентам, а Hyundai продавал водородный ix35 корпорациям и госструктурам). Mirai - гибрид; тяговая батарея необходима, чтобы обеспечить приемлемый разгон при трогании с места (недостаточно высокое быстродействие топливных элементов - один из их важных недостатков).

Конечно, недостатков у машин на топливных элементах по-прежнему больше, чем достоинств. К примеру, процесс производства водорода - не самый простой и дешевый (вдобавок самым популярным сырьем является для этого является… природный газ), а количество заправочных станций даже в наиболее развитых странах колеблется между незначительным и мизерным. Но и списывать такие машины со счетов явно рано – ведь технический прогресс может преподнести еще немало сюрпризов. 

P.S. АвтоВести до сих пор не ответили на простой вопрос, интересующий лично вас? Тогда оставьте этот вопрос в комментариях. Но не забудьте перед этим свериться с полным списком материалов этой рубрики.

Простые вопросы: как устроено зеркало заднего вида с автозатемнением Самозатемняющиеся зеркала заднего вида умеют в нужный момент темнеть и проясняться, избавляя водителя от риска ослепления позади идущими автомобилями. Что за сложные процессы происходят внутри такого простого, на первый взгляд, механизма?
Из какого количества деталей состоит автомобиль? Автомобиль - пожалуй, самый сложный предмет, которым можем владеть среднестатистический, не являющийся миллионером человек. Ведь даже квартира с конструктивной точки зрения состоит из сравнительно небольшого количества элементов. А вот если начать считать детали, из которых состоит машина, остановиться получится ой как нескоро...
Задние барабанные тормоза - прошлый век или логичное решение? Красивые фотографии, на которых изображены мощные тормоза спорткаров, - диски огромного диаметра и мощные суппорты - заставили многих из нас вообще забыть о существовании другого типа тормозов - барабанных. Однако это решение до сих пор в ходу у автопроизводителей. Что же ими движет - жадность или забота о клиенте?