Элемент новизны

ЭЛЕМЕНТ НОВИЗНЫ

/ПЕРСПЕКТИВА

ЭЛЕМЕНТ НОВИЗНЫ

ВПЕРВЫЕ В РОССИИ: НА СМЕНУ ВЫХЛОПУ — ДЫХАНИЕ

ТЕКСТ / ГЕОРГИЙ МИРЗОЕВ, РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА «ЛАДА-АНТЭЛ»,

ПРОФЕССОР, К. Т. Н.*

Ведущие фирмы мира одна за другой демонстрируют опытные модели, в которых ДВС заменен топливными элементами. Настойчивый интерес к ним легко объясним: такие установки не только обеспечивают безвредный «выхлоп», но и позволяют резко сократить потребление углеводородного топлива, запасы которого отнюдь не беспредельны. Ни аккумуляторные электромобили, ни малотоксичные ДВС не решают экологическую проблему столь радикально.

Хотя принцип работы топливных элементов (ТЭ) известен с XIX века, применять их стали сравнительно недавно, да и то в специфических областях (почему, станет ясно ниже).

Впервые ТЭ появились на космических аппаратах — щелочные и твердопленочные. У них разные электрохимические процессы, но суть одна — получение электричества при соединении водорода и кислорода. Разработкой ТЭ для автомобилей лет десять назад занялась канадская фирма «Баллард», финансируемая ведущими автомобильными компаниями — около миллиарда долларов в год. Предложенная ею конструкция «автомобильного» твердопленочного ТЭ — это ячейка с двумя электродами и разделительной мембраной, на которую нанесен катализатор (платина). Внутри ячейки циркулирует вода для отвода тепла. К одному из электродов подается водород, к другому — кислород. Под действием катализатора молекула водорода расщепляется на электроны и протоны. Последние проникают через мембрану в ту половинку емкости, где находится кислород и, соединяясь с ним, образуют воду. А свободные электроны уходят по электроду на катод, создавая электрический ток. Внешне просто, но на пути к работоспособному устройству решили множество практических задач; тут и «сосуществование» кислорода и водорода, тут и мембрана, и катализатор...

Но что же, возить с собой баллоны с водородом и кислородом? Подобная идея была на первых порах. Позже выяснилось, что кислород можно брать из атмосферного воздуха, водород — добывать прямо на борту автомобиля из любого углеводородного топлива, например бензина.

Однако проблем больше, чем кажется на первый взгляд. Во-первых, кислорода в атмосфере лишь около 20% — нужен компрессор, а это дополнительный расход энергии. Во-вторых, атмосфера — штука многосложная: азот не влияет на работу элемента, дорожную пыль поглотят обычные фильтры, а вот СО2 и выбросы химзаводов значительно снижают эффективность процесса. Так что здесь еще огромное поле работы. Ну а в-третьих, для добывания водорода из бензина на борту автомобиля нужна специальная установка — реформер или, иначе, конвертер. Он-то, говоря химическим языком, и ведет двойной передел углеводородов, производя водород и... углекислый газ.

Но известно, что двуокись углерода способствует развитию парникового эффекта в атмосфере, поэтому уже есть проекты «брикетирования» СО2 в виде сухого льда — так хоть польза от нее будет.

Главное, что «выхлоп» автомобиля на ТЭ даже не «пахнет» окисью углерода, углеводородами и окислами азота — вредными выбросами, свойственными ДВС. Одна вода! И только если добывать водород из бензина на борту автомобиля, появляется углекислый газ, но его вдвое меньше, чем у сегодняшних машин с ДВС.

Коэффициент полезного действия силовой установки у «оксигидромобиля» в два раза выше, чем у современного двигателя внутреннего сгорания, а значит, потребление топлива на единицу мощности в два раза меньше.

Сегодня удельная цена новой установки около 15 тыс. долл. за 1 кВт мощности, тогда как у бензинового эквивалента — 3–5 долларов. Отсюда самая серьезная проблема — создать технологию массового (а значит, недорогого) изготовления топливных элементов. А еще — довести конструкцию бортового конвертера для выработки водорода.

Как видите, топливные элементы стоят немало. И все же ВАЗу удалось реализовать такой проект, но не одному, а в целой компании предприятий. Этой проблемой давно занимались Российский научный центр «Курчатовский институт», ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королева и Уральский электрохимический комбинат.

В свое время для космического челнока «Буран» уральцы создали батарею щелочных топливных элементов мощностью 15 кВт — электрохимический генератор «Фотон». Его-то мы и решили адаптировать к земным условиям. Из переработанного «Фотона» удалось выжать 25 кВт при ресурсе около 5000 часов — вдвое больше, чем у бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Специалисты «Энергии» разработали и изготовили все навесное оборудование и сложнейшую автоматизированную систему управления — алгоритм работы топливных элементов сродни программе для ядерного реактора.

ВАЗ выступил застрельщиком проекта и предоставил свой опыт создания электромобилей.

Так при весьма ограниченном финансировании нам удалось создать ходовой макет автомобиля на топливных элементах.

Носителем выбрали пятидверную «Ниву»

VAZ 2131.

Привод оставили только передний — пока его достаточно. Все оборудование, включая баллоны с водородом и кислородом под давлением 280 кгс/см2, удалось скомпоновать в багажнике. Масса «начинки» примерно вдвое больше, чем у стандартного силового агрегата. Поэтому и вся машина слегка потяжелела по сравнению с серийной. Получился пятиместный «автомобиль», только без багажника, с удобством управления как у электромобиля и запасом хода 200 км — для городских условий вполне достаточно.

А у конструкторов появилась пища для размышлений и стимул движения вперед. Топливные элементы, питающиеся водородом и кислородом, — это первый этап; на очереди замена кислорода атмосферным воздухом. Потом на смену баллонам с водородом придет конвертер — добывать этот газ из бензина. И дальше — шаг за шагом.

*Автор — в прошлом главный конструктор ВАЗа, ныне советник вице-президента ОАО «АвтоВАЗ» по техническому развитию.

Схема работы твердопленочного топливного элемента.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АВТОМОБИЛЕЙ

С ДВС С энергоустановкой

и нейтрализа- на топливных

тором (Евро III) элементах

Топливо Бензин Водород

Расход энергии

при 60 км/ч,

кВт.ч/100 км 87,2 43,6

Выбросы токсичных