Использование водородного топлива

Самый простой вариант использования водородного топлива в автомобиле – сжигание его в обычном двигателе внутреннего сгорания или в газотурбинном двигателе. Наибольший опыт использования водорода накоплен в ракетостроении, где он используется как топливо в жидкостных реактивных двигателях, и в автомобилестроении. В пользу этого варианта использования говорит тот факт, что водород по сравнению с углеводородным топливом имеет более высокую энергоотдачу, а также то, что в смеси с воздухом он хорошо воспламеняется, причем в очень широких пределах давлений смеси. Но сжигание водорода в обычном автомобильном двигателе внутреннего сгорания создает множество проблем. В первоначальных разработках переведенный на водород двигатель имел меньшую мощность, чем при сжигании бензина, нестабильно работал и имел малый ресурс – прогорали клапаны и поршневые кольца, приходила в негодность смазка. Кроме этого, водород, являясь очень летучим газом, требовал особо качественных уплотнений, поскольку всегда имеется риск взрыва. Тем не менее, за счет использования специальных программ управления двигателем многие проблемы удалось решить и сейчас ряд автомобильных фирм выпускают ограниченные партии автомобилей, в которых водород сжигается в двигателе внутреннего сгорания.

Намного перспективнее оказалось направление, опирающееся на использование топливных элементов. Топливный элемент представляет собой электрохимический генератор, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую, без промежуточного преобразования ее в тепловую и механическую. То же самое происходит и в электрических аккумуляторах, но топливные элементы имеют два важных отличия. Во-первых, они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают в них из внешнего источника. Во-вторых, химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т. е.топливныйэлемент не нуждается в перезарядке. Основное преимущество внедрения топливных элементов в наземные транспортные средства – это высокий коэффициент полезного действия. У современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания он достигает 35 %, а у водородного топливного элемента – порядка 45 % и более. Водородные технологии для автомобильного транспорта активно развиваются в наиболее развитых странах. Приняты государственные программы создания экологически чистого автомобильного транспорта, созданы десятки демонстрационных образцов автомобилей различных моделей, построены и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. В конце 2014 года начались продажи автомобиля Toyota Mirai – первого в мире серийного автомобиля с водородным двигателем. Мощность двигателя – 150 л. с., максимальная скорость – около 180 км/ч. Одной заправки хватает на пробег в 480 км.

Разумеется, одним только автомобильным транспортом применение топливных элементов не ограничивается. Существует множество областей, где топливные элементы уже активно используются (рис. 3.103).

Рис. 3.103. Области применения топливных элементов

Принцип действия топливного элемента иллюстрирует рис. 3.104. Его конструкция включает в себя два пористых электрода – анод и катод, разделенные твердым или жидким электролитом. Электролит является одним из основных компонентов топливного элемента: он обеспечивает перенос ионов между электродами и, в то же время, препятствует переносу водорода из анодной области в катодную и диффузии кислорода в противоположном направлении, что предотвращает их прямое взаимодействие. В современных топливных элементах наибольшее распространение получили твердые электролиты на основе полимерных мембран. Полимерная мембрана обладает хорошей протонной проводимостью и практически не проводит электроны, она имеет низкую газопроницаемость по водороду и кислороду, что необходимо для эффективного разделения реагентов. Конструкции топливных элементов различаются, но все они содержат отделения анода и катода, а также электролит, через который ионы перемещаются из одного отделения в другое.

Рис. 3.104. Схема топливного элемента

К аноду подводят водород, который, проникая в электролит через очень мелкие поры в материале электрода и участвуя в реакции хемосорбции, разлагается на положительно заряженные ионы (протоны) и электроны. Катализатор на аноде ускоряет этот процесс образования протонов и электронов. В качестве катализатора используют платину или другие металлы платиновой группы. Протоны через мембрану мигрируют к катоду, где в результате взаимодействия с кислородом образуются молекулы воды. Для ускорения процессов окисления на катоде также используется катализатор.

Электроды топливного элемента соединяют с нагрузкой. Напряжение, возникающее на отдельном топливном элементе, не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения топливные элементы соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи соединяются параллельно. Такие батареи вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором. Следует отметить, что при работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Что очень важно, в результате всех процессов в топливном элементе конечным продуктом являются пары воды, а не углекислый газ, образующийся при работе тепловых электростанций. В этом и состоит главный экологический выигрыш водородного топливного элемента.