Нежное дыхание выхлопных газов

Общий вид и компоновка автомобиля на топливных элементах.
Фото предоставлено пресс-службой компании Nissan

Профессор Сергей Капица, выступая год назад на одном из обсуждений, посвященных проблемам интеллектуальной собственности в XXI веке, подчеркивал: «Следует отметить, что крупные фирмы скупают патенты, чтобы контролировать развитие той или иной отрасли. Часто это приводит к замедлению технического прогресса, и с этим, по-видимому, даже связано медленное развитие автомобилестроения».

Не доверять мнению известного ученого нет никаких оснований. Но тем не менее похоже, что в автомобилестроении в скором времени может наступить инновационная оттепель.

Еще в 1999 году специалисты Исследовательского центра концерна Siemens в Эрлангене (ФРГ) уверяли меня, что к 2005 году на рынке появятся первые транспортные средства с топливными элементами в качестве источника питания электрических двигателей. «Технический и экономический потенциал, чтобы заменить двигатель внутреннего сгорания, у подобного транспорта уже существует», – подчеркивали немецкие инженеры. Сами они собирались уже тогда запустить в опытную эксплуатацию пассажирский автобус на топливных элементах.

Здесь надо хотя бы пару слов сказать, что это за устройство такое – топливный элемент. Тем более что автомобильная промышленность, особенно в Америке, Японии и Европе, сегодня активно развивает это направление.

Еще в 1839 году в январском номере английского «Философского журнала» Уильям Роберт Гров (кстати, судья по основной специальности) привел результаты проведенного им опыта. Две платиновые полоски, полупогруженные в сосуд с разбавленной серной кислотой, обдувались, одна (анод) – водородом, другая (катод) – кислородом. Когда Гров соединял внешние выводы этих полосок через гальванометр, то стрелка прибора отклонялась, что неопровержимо свидетельствовало: в цепи протекал электрический ток. Так впервые было создано замечательное электрохимическое устройство – топливный элемент (ТЭ, Fuel Cell).

В элементе Гроува топливо (водород) сжигалось (соединялось с кислородом), конечный продукт этой реакции – вода (водяной пар). Впервые человек создал устройство, непосредственно превращающее химическую энергию топлива и окислителя (кислорода в данном случае) сразу в электрический ток, без промежуточного получения теплоты. Не случайно этот электрохимический процесс называют еще «холодным горением» – он аналогичен процессу дыхания человека!

Но задачка превращения красивого принципа в экономичное работоспособное устройство (источник тока) оказалась не так проста, как казалась сначала. Тут возникало множество проблем, связанных и с электрохимической кинетикой реакции соединения топлива с окислителем, и с материаловедением, и с подбором необходимых катализаторов┘

И вот в недавнем официальном пресс-релизе компании Nissan было сообщено, что ученые и инженеры этого японского автогиганта создали версию джипа X-TRAIL на топливных элементах – автомобиль типа FCV (Fuel Cell Vehicle), который по запасу хода и приемистости соответствует обычному автомобилю с бензиновым двигателем.

Объем запаса водорода в X-TRAIL FCV был увеличен на 30% по сравнению с моделью 2003 года благодаря установке нового водородного баллона с давлением 70 МПа. Это позволяет увеличить содержание водорода почти на 30% в резервуаре, занимающем то же пространство. В итоге запас хода автомобиля достигает 500 и более километров. А сам баллон выполнен на основе углеволоконной пластмассы. Японцы умудрились оптимально рассчитать даже структуру отдельных витков углеродного волокна.

Принцип генерации тока в ячейке топливного элемента с твердым полимерным электролитом.

Сердце силовой установки (заметим, совершенно бесшумное сердце) – блок топливных элементов. Изюминка каждого ТЭ, входящего в него, – тонкая полимерная мембрана, разделяющая анод и катод ТЭ. (В элементе Гроува, напомню, эти функции выполнял раствор серной кислоты.) Отсюда – и компактность, и высокие весогабаритные характеристики. В качестве окислителя используется забортный воздух (вернее, кислород воздуха). Максимальная мощность силовой установки – 90 кВт.

Однако многие эксперты считают, что по-настоящему золотой век для топливных элементов с полимерными мембранами в качестве электролита наступит тогда, когда удастся использовать в качестве топлива не газообразный водород, а, например, жидкий метанол. (Об этом же, кстати, мечтал и сэр Уильям Роберт Гров 170 лет назад. Правда, он предполагал сжигать в топливном элементе угольную пыль или природный газ.) Тогда-то, вполне возможно, автомобили с топливными элементами могут стать «убийцами» безраздельно властвующих сегодня двигателей внутреннего сгорания.