АВТОМОБИЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Г. Мирзоев
Автомобиль вошел в нашу жизнь так широко, что породил немало проблем, многие из которых требуют безотлагательного решения. Наиболее серьезные из них - шум и загрязнение воздуха. Предсказывают, что через 20-30 лет нефть кончится. Естественно, возникает вопрос: чем заменить нефтяное топливо, чтобы сделать автомобиль безвредным для окружающей среды, а заодно и сберечь нефть для более важных целей, чем работа двигателя внутреннего сгорания?
В США серьезная борьба с загазованностью атмосферы началась с 60х годов прошлого столетия, в Европе - в 80-х. Сейчас принятые нормы токсичности (содержание вредных веществ в отработанных газах) автомобилей в Западной Европе и в США почти не различаются. Последние отечественные модели автомобилей тоже соответствуют принятым во всем мире нормам.
Основные компоненты, с которыми приходится бороться, - окись углерода, двуокись углерода, углеводороды и окислы азота. В зависимости от режима работы двигателя, они поступают в атмосферу в разных количествах и в разных пропорциях. Выполнить нормы, соответствующие стандартам ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4, технически вполне возможно, дозируя поступление топлива в цилиндры двигателя и очищая выхлопные газы каталитическим нейтрализатором. Нейтрализатор начинает работать при температуре 600оС. Нагревается он выхлопными газами. На это уходит время, в течение которого выхлопные газы полностью еще не очищаются.
Казалось, электромобиль, который гарантирует тишину и чистый воздух, - наилучший выход из сложившейся ситуации. Идея его создания была особенно популярна в 70е годы, когда прорабатывалась американская программа нулевой токсичности. Но на пути экологически чистой машины появились препятствия, которые помешали ей стать единственным и окончательным решением проблемы.
До сегодняшнего дня нет способа компактного хранения электрической энергии, который позволял бы без подзарядки проезжать столько же, сколько можно проехать на одной заправке бензобака. И если представить себе электромобиль, способный пробежать 600 км, то он сможет везти только аккумуляторы, а время их заправки составит восемь часов. Следует также отметить, что стоимость этих аккумуляторов в несколько раз превосходит стоимость самого автомобиля. Пытались вместо аккумуляторов применить конденсатор ные батареи. Они быстро заряжаются, но так же быстро и разряжаются.
В настоящий момент по земле ездят несколько сотен миллионов автомобилей. Представьте, что будет, если их все станут заряжать одновременно. Откуда взять столько электроэнергии? Чтобы перевести все автомобили на аккумуляторы, необходимы электрические мощности, равные тем, которыми сегодня располагает человечество. А это значит, что надо как минимум удвоить производство электроэнергии.
Для снижения суммарной токсичности автомобилей американцы решили "разбавлять" автомобили с двигателями внутреннего сгорания электромобилями. Согласно этой идее, часть выпускаемой продукции каждого автопроизводителя должны составлять электромобили. Таков следующий шаг по уменьшению токсичности.
Но есть и другое решение. 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а "побочным" продуктом реакции становится электричество. Принцип его работы, грубо говоря, таков: имеется некая пластина, обладающая свойством пропускать протоны и не пропускать электроны. С каждой ее стороны - два электрода - положительный (анод) и отрицательный (катод), связанные между собой в электрическую цепь. С одной стороны пластины подается водород, с другой - кислород. Катализатор, нанесенный на пластину, активирует реакцию расщепления водорода на протон и электрон. Протон проходит через пластину и, соединяясь с кислородом, дает воду. А электрон уходит в подсоединенную электрическую цепь.
Водородно-кислородные топливные элементы были применены на американских и российских лунниках, на "Шаттле" и "Буране". Как часто случается, космические технологии нашли применение и на земле, в автомобильной промышленности.
Топливный элемент, призванный заменить двигатель внутреннего сгорания, состоит из множества ячеек (маленьких генераторов). Напряжение каждой ячейки - от 0,6 до 1,0 В. Соединив ячейки последовательно, можно получить необходимое напряжение. Сегодня мы располагаем технологиями, позволяющими делать ячейки толщиной в полтора миллиметра. Значит, можно добиться того, что масса и габариты новой топливной установки останутся теми же, что и у двигателя внутреннего сгорания равной мощности.
Большая проблема - цена топливной установки (сегодня она примерно в 100 раз дороже двигателя внутреннего сгорания), потому что в ее изготовлении используются дорогие материалы и очень деликатные технологии. Без кропотливой работы по материалам и конструкции, а главное - по созданию технологии массового производства задачу не решить.
Чтобы топливная установка заработала, нужно разместить на борту автомобиля баллоны с газообразным водородом и кислородом. Отсюда - сложности. Во-первых, баллоны с газом занимают много места, а во-вторых, возить их в непосредственной близости друг от друга небезопасно. Поразмыслив, ученые решили, достаточно возить с собой только баллон с водородом, а кислород можно взять из воздуха.
На Волжском автомобильном заводе работы по автомобилям на топливных элементах были начаты в 2000 году, а в 2001 году собран первый автомобиль на топливных элементах - "Антэл-1". Скорее это был не автомобиль, а макет или лаборатория на колесах. Собран он из агрегатов, разработанных ранее для "Бурана", электромобилей и автомобилей ВАЗ и адаптированных для совместной работы на автомобиле.
"Антэл-1" собран на базе пятидверной Нивы. В салоне по-прежнему осталось пять мест. Энергоустановка, работающая на водороде и кислороде, мощностью 17 кВт вырабатывала ток напряжением 120 В. Впоследствии ее заменили на более мощную - 25 кВт. Максимальная скорость была соответственно 70 и 85 км/ч. Емкость баллонов для водорода и кислорода составляла 60 и 36 л, давление газов - 250 атм. Пробег такого автомобиля на одной заправке - 200 км. Энергоустановка разместилась в багажнике автомобиля, а системы управления, тяговый двигатель и стартовая аккумуляторная батарея - под капотом. По сравнению с базовой моделью масса автомобиля увеличилась на 250 кг.
Автомобиль "Антэл-1" демонстрировался на 5-м Московском международном автосалоне, и после его закрытия на Дмитровском автополигоне были проведены тестовые заезды для журналистов.
Работа с "Антэл-1" показала, что на достаточно быстрый разгон первому автомобилю на топливных элементах не хватает мощности. Для того чтобы исключить проблему, решили использовать буферный источник тока. Им стала аккумуляторная батарея. Буферная система работает по принципу: принять - выбросить.
Для нового автомобиля "Антэл-2" была разработана никель-металлгидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоемкостью ( емкость батареи - 10 А.ч) и напряжением 200 В, способная быстро заряжаться и разряжаться. Новая батарея позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза за счет энергии, "принятой" при торможении. Когда происходит торможение автомобиля, то кинетическая энергия превращается в "Антэл-2" в электрическую. Она заряжает аккумуляторную батарею. При разгоне энергия буферной аккумуляторной батареи подается на тяговый электродвигатель, дополняя энергию генератора.
Тормозная система автомобиля тоже претерпела изменения. На автомобиле "Антэл-2" установлен компактный электроусилитель тормозов, благодаря которому управлять автомобилем стало гораздо легче.
"Антэл-2" проезжает без подзарядки 350 км. На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, оснащенная тремя сверхлегкими и прочными баллонами по 30 л. Водород в них находится под давлением 400 атм.
На то, чтобы закачать в 60-литровый баллон (на "Антэл-1") водород под давлением 250 атм, уходило два часа. Это никого не устраивало. Но если не закачивать газ в пустой баллон, а дать ему туда перетечь из некой емкости, в которой он хранится под определенным (необходимым и постоянно поддерживаемым) давлением, то на всю процедуру уйдет 5-10 минут. Именно такая технология внедрена на "Антэл-2". Сейчас мы строим опытную заправочную станцию.
В "Антэл-1" очень много времени уходило и на запуск установки. Чтобы автомобиль тронулся с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60оС (на полную мощность он выходит при 95оС). Время запуска автомобиля "Антэл-2" удалось сократить до 10-15 минут благодаря специальным нагревателям, установленным прямо в генератор. Питаются они от буферной батареи. При достижении температуры 60оС включается генератор, который, работая, сам выделяет тепло; таким образом, время выхода на максимальную мощность сокращается.
С самого начала было понятно, что возить в непосредственной близости баллоны с водородом и кислородом опасно, к тому же они занимают много места и требуют заправки. Поэтому задача перевести работу электрохимического генератора кислорода на воздух ни у кого не вызывала сомнения. Во втором автомобиле на топливных элементах мы ее решили: "Антэл-2" укомплектован первым отечественным щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 В и мощностью 25 кВт. Система оснащена компрессором, способным подавать 100 кг воздуха в час в батарею топливных элементов под давлением 3,3 атм.
Так как в устройстве генератора используется щелочь - едкий калий (им пропитывается пластина, разделяющая водородную и воздушные полости), пришлось разработать систему очистки воздуха (до тысячных долей процентов) от углекислого газа, дабы избежать реакции превращения щелочи в соль.
Еще для автомобиля "Антэл-2" разработан новый тяговый электродвигатель переменного тока максимальной мощностью 90 кВт, напряжением 200-300 В, кпд более 90% и массой 30 кг (электродвигатель "Антэл-1" имел показатели соответственно: 25 кВт, 120 В, 75% и 68 кг).
Остается отметить, что "Антэл-2" представляет собой пятиместный "Универсал" с полноразмерным багажником (базовой моделью послужила ЛАДА 111). А все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.
Работа над следующим автомобилем на топливных элементах уже идет. В первую очередь вместо газобаллонного хранения водорода на новом автомобиле будет установлен топливный процессор для получения водорода из бензина на борту автомобиля. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Испытания "Антэл-2" покажут и другие направления, в которых следует работать.
Сегодня весь мир работает над созданием чистых автомобилей, в которых топливом служит водород. Но путь этот - не единственный. Перейти на один вид транспорта не удастся, да и не нужно. Для разных целей должны использоваться разные машины. Например, если на аккумуляторном электромобиле развозят по магазинам города хлеб и колбасу, а водитель, закончив работу, отправляется отдыхать, то длительная подзарядка аккумуляторов никому не повредит. А где подзаряжаться? Французы и швейцарцы уже решают этот вопрос. На любой бензозаправке есть розетка: включаешь в нее разъем, опускаешь монету и заряжаешь электромобиль. Такие же розетки есть во дворах жилых домов. Есть много ситуаций, в которых выгодно и экономично использовать именно этот вид транспорта. Электромобиль нужен для ближних поездок, а в гараже должен стоять еще и автомобиль (может быть, водородный) на "дальнюю дорогу".
Хочу воспользоваться случаем, чтобы поблагодарить наших партнеров по работе над созданием автомобилей на топливных элементах с Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск), Уральского электромеханического завода и из Научно-производственного объединения "Автоматика" (г. Екатеринбург), Научно-исследовательской лаборатории двигателей (г. Рыбинск), ВНИИ экспериментальной физики (г. Саров), Института катализа Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), Аккумуляторной компании "Ригель" (Санкт-Петербург), Ракетно-космической корпорации "Энергия" (г. Королев).
Кандидат технических наук, профессор Г. Мирзоев,советник вице-президента ОАО "АВТОВАЗ" по техническому развитию.
Записала А. МАГОМАЕВА.
Читайте в любое время
