Как работает водородный топливный элемент и почему автомобили с таким «двигателем» еще не ездят по всему миру
В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) углеводородное топливо сгорает (окисляется), в результате чего выделяется тепловая энергия. Она и приводит в движение механизмы автомобиля. Сжигать в ДВС можно и водород, коэффициент полезного действия (КПД) составит 30–40%, как и при использовании бензина, метана или дизельного топлива, но стоить это будет намного дороже. Водородомобили устроены по-другому: энергия вырабатывается не в двигателе, а в топливном элементе. Выясним, что это такое и как он работает.
Элемент для элемента
Водород — первый элемент периодической системы Менделеева, самый простой, легкий и распространенный в мире. Его атом состоит из одной положительно заряженной частицы — протона, вокруг которого вращается отрицательно заряженный электрон. Молекула обычно включает два атома. На водород приходится 88% всех атомов видимой части Вселенной и более 70% ее объема.
В природе водород встречается в основном в связанном виде — в составе воды и углеводородов. Перед использованием его нужно «оторвать» от других химических элементов, и энергии на это уходит много. Когда чистый водород все-таки выделяют, его можно использовать в топливном элементе.
Химическая лаборатория под капотом
В водородном топливном элементе химическая энергия атомов водорода превращается в электрическую. Топливный элемент представляет собой два электрода (анод и катод), разделенных мембраной. Водород реагирует с катализатором (обычно это напыленная на анод платина) и выгоняет свой электрон за пределы атома. «Осиротевшие» электроны притягиваются к аноду, превращаясь в электрический ток. Он-то и поступает к двигателю автомобиля, приводя механизмы в движение.
Молекулы водорода, оставшиеся без электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. В отличие от электрически нейтральных атомов такие частицы могут преодолеть мембрану и постепенно перетекают в сторону катода. Туда же одновременно поступают молекулы кислорода из наружного воздуха и возвращаются из внешней электрической цепи с двигателем «блудные дети» — электроны, выгнанные из атомов водорода.
Под действием электрического тока ионы водорода соединяются с кислородом. Образуется вода и выделяется тепло — единственные побочные продукты работы водородного элемента.
КПД топливного элемента — более 60%, а в перспективе может вырасти до 80%. Устройство работает бесшумно и нагревается максимум до 1000 градусов.
Пока сложно и дорого
Если поставить такой генератор под капот машины, получится водородомобиль — разновидность электромобиля, который не нуждается в аккумуляторе и зарядке от сети. Водород находится в топливном баке в сжатом виде под давлением 400 атмосфер.
Водородомобили, которые производят сегодня, расходуют в среднем 0,8–1 килограмм водорода на 100 километров пути. С энергетической точки зрения это эквивалентно примерно шести литрам бензина. В России водородных АЗС (как и производства водородомобилей) пока нет, но на заграничных станциях цена одного килограмма водорода стартует с 800–1000 рублей
В наши дни водородомобили производят и разрабатывают известные автоконцерны Японии, США, Республики Корея, Германии и других стран. Созданы водородные автобусы и поезда, в процессе разработки водородный самолет. Все это появилось не сегодня и даже не вчера: первый серийный водородомобиль начали выпускать 10 лет назад. При этом из-за сложности получения, транспортировки и хранения водорода, а также малого числа АЗС водородомобили пока обходятся владельцам слишком дорого, а серийное производство таких машин так и остается представленным всего несколькими моделями.
