Водородный топливный элемент

Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все. Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо - мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Производители автомобилей сделали первые шаги в направлении водородной энергетики. В частности, уже несколько лет выпускаются так называемые гибридные автомобили, снабженные как традиционным бензиновым двигателем, так и электродвигателем, работающим благодаря водородному топливному элементу.              

Водородный топливный элемент во многом напоминает обычный аккумулятор: в нем энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию.

Водород из специальной герметичной емкости подается в топливный элемент, состоящий из двух электродов (анода и катода) и про тонообменной мембраны - материала, пропускающего только протоны. На аноде, изготовленном с использованием благородного металла (например, платины или ее сплавов), молекулы водорода распадаются на атомы и теряют электроны. Освободившиеся при этом ядра водорода, т. е. протоны, начинаются двигаться к катоду сквозь мембрану. Электроны же направляются как бы «в обход» мембраны, поскольку их она пропускать не будет. Поток электронов и представляет собой электрический ток, который потребляется электродвигателем автомобиля. Миновав двигатель, электроны поступают на катод. Там же, в свою очередь, распадаются на атомы молекулы кислорода, поступающего в топливный элемент из атмосферы. Таким образом, на катоде происходит одновременная встреча атомов кислорода, протонов и электронов: это приводит, очевидно, к образованию молекул воды, которые благополучно выводятся в за пределы элемента.

Фактически, топливный элемент позволяет провести высокоэнергетичную реакцию

2H₂ + O₂ → 2H₂O,

но не в виде взрыва, а в спокойном, управляемом режиме.

Способы хранения водорода. Существуют разнообразные способы хранения водорода. Самый эффективный из них - это баллоны. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 9%(масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 13% водорода. В ракетно-космической технике накоплен значительный опыт хранения и доставки водорода в сжиженном состоянии, при криогенных температурах. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Так что же заставляет машину двигаться? У силовой установки FCX Clarity есть 4 основных элемента. В районе центрального тоннеля располагается батарея топливных элементов (Fuel Cell Stack) V Flow, весящая 67 кг, под капотом находится электромотор переменного тока, а в районе задней оси установлен 171-литровый бак для сжатого водорода и компактный литиево-ионный аккумулятор.

Водород, поступающий из бака в батарею топливных элементов, соединяется там с кислородом, получаемым из внешней среды. Энергия реакции преобразуется в электричество, которое питает электромотор. Дополнительная энергия, получаемая при торможении, остается в литиево-ионном аккумуляторе. Рекуперативная тормозная система здесь - почти такая же, как и у обычного гибрида. При этом КПД водородной установки в 3 раза превышает показатель традиционного бензинового двигателя и в 2 раза - гибридной силовой установки.

Первые водородные прототипы FCX (Fuel Cell eXperimental) cпецы Honda стали испытывать еще в 1999 году. С тех пор батареи топливных элементов стали намного легче и меньше, а вместо никелевых аккумуляторов стали использоваться литиево-ионные. Система рекуперации энергии также было усовершенствована. Более того, топливные ячейки стали более термостойкими: если раньше минимальной температурой для обеспечения нормальной работы был 0 градусов Цельсия, то современный FCX Clarity должен исправно функционировать и при -30 градусах.

Сравнение версий топливных элементов

Параметр	2001	2005	2009
Мощность	60 кВт	86 кВт	100 кВт
Объём	134 литра	66 л	52 л
Вес	202 кг	96 кг	67 кг
Мощность/Объём	0,448 кВт/л	1,3 кВт/л	1,92 кВт/л
Мощность/вес	0,3 кВт/кг	0,9 кВт/кг	1,5 кВт/кг

Вместе с Honda FCX Clarity японцы представили домашнюю заправку Station, которая производит водород из бытового природного газа, а затем использует его для получения электричества для бытовых нужд и тепла, а остатки сохраняет для заправки машины. По подсчетам Honda такая станция позволяет сократить выбросы CO2 на 40 %, и затраты на энергообеспечение дома на 50 %.

Водород можно добывать множеством способов, но в Honda делают ставку на водный электролиз, который в будущем позволит навсегда попрощаться с углеродной энергетикой. Электричество, необходимое для разложения дистиллированной воды на водород и кислород, можно будет получать с помощью ветряных турбин или солнечных батарей, тем самым создавая т.н "круговорот возобновляемой энергии".

4 килограмма (171 литр) сжатого водорода позволяют проехать за рулем Honda FCX Clarity около 468 километров. Заправка занимает в среднем 3-4 минуты. Самая большая цифра, которую можно лицезреть на цифровом спидометре  - 160 км/ч.

Отсутствие выхлопной системы позволило создать для FCX Clarity абсолютно плоское днище, что не может не сказаться на аэродинамике автомобиля: ветер просто "облизывает" машину. Расположение бака с водородом, аккумулятора и непосредственно самого батареи с топливными элементами обеспечивает низкий центр тяжести, улучшая управление и устойчивость.