Гибридная схема – это сочетание двигателя, работающего на привычном топливе (бензине или газе, но чаще на солярке), и электромотора. Типичный представитель именно этой группы – «Тойота-Приус» – один из самых успешных с коммерческой точки зрения примеров. В прошлом году этой модели отдали предпочтение более десяти тысяч покупателей, а такое, согласитесь, уже кое-что значит.
В США, дабы стимулировать автоиндустрию к активному поиску новых решений, принят закон, предписывающий каждой фирме к 2003 году иметь в своей программе хотя бы одну модель электромобиля. Иначе – запрет на торговлю.
В числе основных претендентов на титул «главного конкурента двигателям внутреннего сгорания» сегодня называют автомобили с топливными элементами.
Топливный элемент впервые увидел свет в 1839 году, когда английский физик Уильям Грув получил ток в результате электрохимической реакции водорода с кислородом. Тему стали интенсивно разрабатывать в 1960-е и 1970-е годы, когда двигатели с топливными элементами впервые применили в космической промышленности.
Как обычно проходит преобразование химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях? Сначала тепловая энергия, выделяющаяся при горении, превращается в кинетическую энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И, наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
В топливном элементе химическая энергия топлива сразу трансформируется в электрическую. Топливный элемент, или электрохимический генератор, – это техническое устройство, где протекает реакция окисления топлива, в ходе которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, спирт, аммиак и углеводороды (природный газ, нефть), а окислителем (горение есть реакция окисления) – кислород, азотная кислота и др.
Конструкция топливного элемента проста. Это сосуд с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива (на анод) и окислителя (на катод). На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и уходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода – образуются отрицательные ионы. Последние проходят через электролит и соединяются с положительными ионами водорода. Так возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрическим генератором. Кроме электроэнергии в нем образуется еще и побочный продукт – дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, – пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. – А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
