«По прогнозам, одна только компания DAIMLER-CHRYSLER сможет наладить выпуск от 40 до 100 тысяч штук автомобилей на топливных элементах уже в ближайшие 4-5 лет».
Топливные элементы на водороде из бензина
Топливные элементы могут в недалеком будущем стать основным источником энергии на борту довольно больших, так называемых, семейных автомобилей и обеспечивать такой уровень экономичности и чистоты, о котором сегодня можно только мечтать. Возможность достижения почти нулевой токсичности отработавших газов, топливной экономичности порядка 3 л/100 км, хороших эксплуатационных характеристик и быстрой зарядки топливных элементов заслуживает проведение научно-исследовательских и конструкторских работ в этом направлении, как и соответствующих инвестиций — такого мнения, в частности, придерживается д–р Кристофер Е. Бруни-Берд из корпорации CHRYSLER. Он утверждает, что специалисты этой корпорации осуществили прорыв в этой области. Есть и другие источники, указывающие на перспективность топливных элементов водород-воздух с получением водорода из бензина или метана на борту автомобиля.
Инженеры CHRYSLER разработали многоступенчатый процесс получения водорода из бензина, который может через десяток лет, после появления промышленных топливных элементов такого рода, служить в качестве практичного источника энергии на борту будущих семейных седанов. Они могут быть подготовлены к середине будущего десятилетия.
Представляя несколько лет тому назад новую разработку, специалисты CHRYSLER отмечают, что предлагаемый процесс получения топлива на борту выгодно отличается тем, что не требует обширной сети станций заправки водородом, т. е. дорогостоящей инфраструктуры, что представляет собой камень преткновения на пути прогрессивных решений. Также подчеркивалось, что хранение запаса водородного топлива в емкости на борту автомобиля вызывает значительные трудности, особенно по сравнению с хранением бензина (газообразный водород занимает в 3000 раз большее пространство). Если же использовать метод получения водорода, предложенный концерном CHRYSLER, то водители будут заправлять свои автомобили так, как это они делают на обычных автозаправочных станциях, в сеть которых уже вложено в США около 200 млрд. долл. Указанный метод позволит со временем создать комбинированную (с электродвигателем) энергоустановку автомобиля, характеристики которого удовлетворят потребности потребителей.
Топливные элементы, широко используемые в космических аппаратах, обладают большими потенциальными возможностями, поскольку они могут вырабатывать электроэнергию при нормальной температуре практически без выброса вредных веществ. Д-р Бруни-Берд подчеркивает, что они способны обеспечить автомобилю такую же дальность пробега без дозаправки, что и с двигателем на бензине, причем со значительно повышенной топливной экономичностью.
Создание системы топливных элементов с выработкой водорода из бензина сопряжено с рядом технических проблем, однако, специалисты CHRYSLER полагают очень важным то, что их применение исключает такие недостатки, как ограничение энергии вследствие малого запаса хранимого на борту автомобиля газообразного водорода и отсутствие сети водородозаправочных станций. Применение топливных элементов на водороде и метане уже рассматривалось рядом других автостроителей, но практического решения этой задачи пока не найдено.
Одной из насущных проблем в данном случае является снижение стоимости топливных элементов. Десять лет тому назад она была в 1000 раз более высокой по сравнению с другими энергоагрегатами, а сейчас — примерно в десять раз. Так, если обычный силовой агрегат у автомобиля в наши дни обходится примерно в $3000, то система с топливными элементами стоит порядка $30000. По оценкам, топливные элементы, в случае их массового производства по современным технологиям будут стоить более $200/кВт (стоимость обычного силового агрегата оценивается в $30/кВт).
Исследования, ведущиеся в промышленных центрах, фокусировались на разработке пакетов модулей, где применялись платиновые катализаторы, электролитические мембраны и биполярные пластины. Результатом явилось 60-кратное уменьшение содержания платины в стандартном модуле топливного элемента по сравнению с уровнем 1984 года.
Технология, предложенная корпорацией CHRYSLER для получения водородного топлива для транспортного средства, имеет дело с превращением бензина в результате многоступенчатого процесса протекания химических реакций в водород Н2, диоксид углерода СО2 и воду Н2О. Можно использовать вместо бензина и другие виды топлива. Бензин, дизельное топливо, метан и спирт — все это возможные кандидаты, поскольку реактор может «сжигать все, что угодно». При этом применяются уже существующие технологии. Так, например, неполное окисление (одна из стадий процесса) используется в промышленных масштабах при очистке сырой нефти.
Батарея, составленная из топливных элементов, питает энергией электродвигатель, от которого силовой поток передается на колеса транспортного средства. Поскольку при этом применяется модульный принцип компоновки, ее можно размещать на транспортном средстве в различных вариантах. Наиболее вероятна следующая конфигурация: цилиндр диаметром 200 мм и длиной 1500 мм располагается в туннельном выступе на полу, подобно тому, как располагается вал в заднеприводном автомобиле. Вследствие высокой эффективности работы топливных элементов, топливный бак, например, бензиновый может быть меньшего литража по сравнению с баком современного автомобиля (68-75 л). Топливные элементы и реактор, в котором протекают химические реакции, выделяет некоторое количество тепла, которое может быть утилизировано (например, для обогрева салона).
Инженеры CHRYSLER предполагают разместить топливный бак в задней части автомобиля; здесь же расположена батарея топливных элементов и контроллер электродвигателя. По всей видимости, батарея займет сравнительно мало места; что же касается контроллера, то он по размерам будет схож с солидным чемоданом. Тем не менее, в багажнике останется еще достаточно места для использования его по назначению.
Компоненты реактора, в котором протекают химические реакции, согласно проекту CHRYSLER размещены под капотом автомобиля. Чтобы перевести жидкое топливо в газообразное состояние, оно нагревается в сжигателе/испарителе, имеющем цилиндрическую форму, длиной 500 мм и диаметром 150 мм. Это устройство обеспечивает чистое, без образования сажи, сгорание топлива.
Испарившийся бензин направляется для производства неполного окисления в топливный реактор — металлический резервуар со свечей зажигания для инициирования неполного сгорания. В том варианте, который предлагается, это цилиндр диаметром 350 мм и длиной 560 мм. Поскольку подача воздуха в реакторе ограничена, то в данных условиях при низком давлении образуется водород и оксид углерода СО. Сера, содержащаяся в бензине, превращается в сернистый водород и затем отфильтровывается из паров. Так как оксид углерода СО наносит вред топливному элементу, он должен быть удален или же сведен к минимально допустимому уровню (менее 10 частей на миллион). Вода в этом процессе присутствует в виде пара и, действую при наличии катализатора (оксид меди и оксид цинка), превращает практически все в СО и СО2. На этой ступени процесса выделяется также дополнительный водород.
В то время как пар, содержащий около 30% СО, переходит в обогащенный водородом газ (примерно 1% в смеси вода-газ), количество СО составляет 10000 частей на миллион. На последней стадии окисления в газ впрыскивается воздух, реагирующий с оставшимся оксидом углерода СО в присутствии катализатора, в результате чего образуется СО2, в котором остается лишь незначительное количество СО (менее 10 частей на миллион).
Устройство, в котором осуществляется впрыск воздуха в пар (смесь вода-газ, последующее окисление), вместе с устройством для удаления серы имеет примерно те же размеры, что и сжигатель/испаритель. В систему введен небольшой воздушный компрессор, диаметр которого составляет 300 мм, а длина столько же (хотя инженеры CHRYSLER утверждают, что его размеры могут быть меньше).
Для эффективного протекания процесса превращения продуктов реакции требуется теплообменник, так как очищенный от примесей газ должен быть охлажден до 800С, то есть, до температуры, при которой топливный элемент функционирует наиболее эффективно. Габариты теплообменника сравнимы с размерами обычного радиатора системы охлаждения автомобиля. Выделяющееся тепло можно утилизировать.
У приведенной выше системы в ходе протекания реакций превращения бензина в водородное топливо могут присутствовать побочные продукты: СО2, N2 и Н2О, из которых большинство можно использовать для реализации пресса.
Инженеры CHRYSLER надеются вскоре продемонстрировать систему на практике, установив агрегаты на автомобиль. Следующий этап — разработка рабочего прототипа и проведение его испытаний, в ходе которых будут исследованы способность разрабатываемой системы осуществлять быстрый старт автомобиля, его ускорение и работу с удовлетворительными характеристиками. Ключевыми вопросами проекта являются достижения низкого уровня вредных выбросов из системы и предохранение ее от вредного воздействия СО и серы на топливные элементы.
В деле уменьшения габаритов батареи топливных элементов и повышения ее удельной мощности (на единицу объема) достигнут определенный прогресс — а именно, семикратное увеличение последней, по сравнению с 1991 годом, до уровня более 1 кВт/л.
Менее критичной проблемой для всей системы является вопрос, какой должна быть мощность вспомогательной батареи. Она требуется для нагрева компонентов системы до рабочей температуры, для свечей зажигания в испарителе и реакторе неполного окисления, для колесных электродвигателей автомобиля, а также для питания вспомогательного оборудования — прежде чем топливные элементы достигнут рабочей температуры (примерно 5 мин при современной технологии). Возможно, понадобится применение перспективных батарей типа литий–ионных или литий–полимерных для старта автомобиля, прежде, чем топливные элементы будут разогреты, и для экстренного ускорения. Даже в этом случае батарея топливных элементов займет не более 1/5…1/10 пространства, занимаемого аккумуляторами типичного электромобиля в настоящее время.
«Неужели свершилось?» — воскликнут все, кому близка автомобильная тема.
«Надо полагать», — ответим мы, пишущие в этот журнал. В самом деле, непреодолимых препятствий в осуществлении данной разработки не существует. Топливные элементы такого типа известны более ста лет, ведь еще в 1839 году английский физик Уильям Грув получил ток в результате электрохимической реакции водорода с кислородом, а в 60-е и 70-е годы двигатели с топливными элементами нашли применение в космической промышленности. Процесс получения водорода из бензина реализуется в лабораторных условиях, и поистине, научным подвигом является реализация этого процесса на борту транспортного средства, подвигом, подкрепленным интенсивными исследованиями и много…долларовыми затратами. И что самое главное, есть кому платить! Как раз тем самым королям бензоколонок по понятным причинам.
Редакция благодарит за помощь в подготовке статьи ученого секретаря Института неорганической химии СО РАН П. П. Самойлова.