По страницам старых публикаций

Над созданием экологически чистого автомобиля ученые всего мира работают уже много лет. И большие надежды связывают с использованием водорода в качестве топлива.
Доводов в пользу этого решения немало: при сгорании в цилиндрах двигателя автомобиля водород образует вместо бензиновой гари совершенно безвредную воду.

Применение его позволит сэкономить нефть — основное сырье химии полимеров. Что немаловажно — водород гораздо дешевле, нежели бензин, ведь получают его электролизом воды, причем она, как сказано, при сгорании образуется снова. Стоит упомянуть, наконец, что на водороде смогут работать те же самые двигатели, что работают сегодня на бензине, и переделки потребуются совсем небольшие. Предлагаю Вашему вниманию интересную статью, опубликованную в 1986 году посвященную этой теме.

Доводы неоспоримые. Однако, чтобы они обрели под собою почву, необходимо обеспечить водородному автомобилю хотя бы такой же запас хода, как и бензиновому. Химическая энергия у водорода гораздо выше, чем у бензина. Одна его грамм-молекула дает энергии в 6 раз больше грамм-молекулы обычного топлива. Но ведь газ не жидкость. Обычный водородный баллон, вмещая 500 литров, — а этого, заметим, хватит лишь на десяток километров, — весит пятьдесят— шестьдесят килограммов. Объем же его чуть не вдвое больше, чем у компактного бензобака. И сделать его меньше при той же емкости очень трудно. Давление внутри баллона и так уже составляет 150 атмосфер. Вспомним закон Бойля — Мариотта и подсчитаем: в баллоне вдвое меньшего объема давление такого же количества газа

составит уже 300 атмосфер. Триста килограммов на каждый квадратный сантиметр поверхности!.. Ехать на автомобиле с таким топливным баком, пожалуй, не более приятно, чем на пороховой бочке.

...Старший научный сотрудник кафедры химии высоких давлений Виктор Николаевич Вербецкий легко берет со стола емкость размером с сифон для газированной воды и протягивает мне.

— Вот здесь пятьсот литров водорода,— говорит он,— а давление внутри около двух атмосфер, меньше, чем в велосипедной камере.

Взвешиваю баллон на руке. Вес его не больше пяти килограммов! Так как же закон Бойля — Мариотта?!
— Все в соответствии с ним,— поясняет Виктор Николаевич.— Но дело в том...

Вот уже две сотни лет химики знают, что некоторые металлы способны вступать с водородом в химическую реакцию. Магний, например, при высокой температуре впитывает водород, образуя так называемый гидрид магния. Объем его при этом немного растет, а удельный вес падает.

Это обстоятельство в свое время едва не послужило причиной создания новой отрасли химии, которую можно было бы назвать химией летучих металлов — окрыленные первыми успехами, химики решили так насытить металл водородом, чтобы он стал легче воздуха.

В свое время эта, увы, неосуществимая мечта нашла отражение и в литературе. Болеслав Прус, например, в романе «Кукла» описал подобные эксперименты знаменитого химика Берцелиуса.

Летать слитки магния так и не заставили. С развитием химии высоких давлений стало ясно, что магний может запасти всего лишь 6% водорода по отношению к собственному весу. К тому же нужна температура до 400 — 500 градусов по Цельсию, давление в 400 атмосфер. А кроме того, насыщая магний водородом, требуется постоянно снимать с него верхний слой, быстро насыщающийся газом и не пропускающий его вглубь. То есть шаг за шагом перемалывать его в порошок. И чтобы извлечь газ из него, тоже нужна высокая температура. Интерес к гидридам стал пропадать. И снова возник он лишь в наши дни, но уже в связи с идеей «чистого» автомобиля.

Мы уже сказали, что магний может запасти 6% водорода от собственного веса. Много это или мало? Если сравнивать с обычным баллоном, где закачивают газ в пустоту,— фантастически много. Ведь в обыкновенном баллоне помещается в шесть раз меньше, чем в металле такого же веса!

Но как же быть с законом Бойля — Мариотта? Почему в металл, в плотное вещество, вмещается больше, нежели в пустоту? Дело здесь в химической сути происходящего.

В природе водород существует, как известно, в молекулярном виде, каждая молекула состоит из двух атомов газа. Между молекулами есть силы отталкивания, мешающие им сблизиться вплотную; собственно, с этими силами и борется компрессор, закачивая газ в баллон. Металл же, поглощая водород, разбивает его молекулы на отдельные атомы, а силы отталкивания между атомами в сотни раз меньше, чем у молекул. Потому в металле газ упакован плотнее, чем в пустоте. Это и делает эффективным использование гидридов для создания емких аккумуляторов водорода для автомобилей.

За прошедшие годы свойство запасать водород, кроме магния, ученые обнаружили у других металлов и сплавов, поэтому специалисты кафедры химии высоких давлений Московского государственного университета, где работает В. Н. Вербецкий, начали работу со сплавами титана и железа.

Аккумулятор, построенный по такой схеме, успешно
 выдержал испытания на автомобиле ЗИЛ-130.

Этот сплав способен запасать водород даже при комнатной температуре и легко отдает его при небольшом подогреве. Емкость его поменьше, чем у магния, но все равно примерно в полтора раза выше, нежели у традиционного баллона.

В первых же опытах сплав заработал безупречно. Однако со временем дело пошло все хуже и хуже...

Как сумели установить, виноваты оказались примеси. В обыкновенном техническом водороде, который получают, как сказано, электролизом воды, всегда есть немного кислорода, влаги. Они постепенно отравляли сплав, лишали его активности. Это означало, что для использования аккумулятора нужно предварительно очищать газ с помощью сложных и дорогих методов.

Решили повысить стойкость сплава с помощью добавок. Лучше всего на эту роль подошел ванадий. Этот элемент как бы облагородил сплав, повысил его стойкость к отравляющим примесям. А когда химики провели анализ водорода на выходе аккумулятора, оказалось, что посторонних газов в нем практически нет — десятитысячные доли процента! Как это нередко бывает, получилось, что исследования в одном направлении принесли результат и для смежного — аккумулятор оказался еще и замечательным дешевым фильтром для очистки водорода.

Тогда и был изготовлен в лаборатории тот самый баллон, который я держал в руках, вмещавший при столь малом объеме и низком давлении 500 литров газа. В МГУ после научных сообщений пошли письма из многих лабораторий страны с просьбами изготовить такие же или предоставить техническую документацию. Ценность аккумулятора для лабораторных исследований оказалась так велика, что его экспонировали даже на выставке «Научно-технический прогресс-85».

Так выглядит упрощенная схема аккумулятора большой емкости для экологически чистого автомобиля, запас хода которому обеспечат и низкотемпературные и высокотемпературные гидриды.

Но вернемся к рассказу об аккумуляторах газа для автомобилей.

Кроме большой емкости и долговечности, такие аккумуляторы в отличие от лабораторных должны обладать еще способностью отдавать большие количества газа в короткие промежутки времени, иными словами, должны обеспечивать большой расход газа. Ведь нередко двигателю приходится работать в пиковых режимах — например, при резком трогании автомобиля с места или на подъемах. И здесь аккумулятор работал плохо. Дело в том, что, впитывая водород, металл разбухает, разрушается и довольно быстро превращается в тонкодисперсный порошок. Открытие этого явления, заметим, тоже оказалось весьма ценным для промышленности. Сплавы титана широко применяют сегодня в порошковой металлургии, и получать порошок из сплава, подавая с небольшим давлением водород, гораздо удобнее, проще и дешевле, чем дробить в специальных шаровых мельницах — никакой механики, никакого износа!.. А вот для самих аккумуляторов это стало препятствием. Спокойная при малых расходах газа масса порошка при больших буквально вскипала. Выделенная частицами струя газа подхватывала их и несла с собой, закупоривая газопроводы, опустошая сам аккумулятор. Попробовали заградительные фильтры, но они мешали аккумулятору «дышать», резко ограничив максимальный поток газа, да и к тому же быстро забивались частицами порошка.

Как же упаковать порошок так, чтобы частицы не разлетались? Химики решили связать порошок гидрида полимером. Рассчитав соотношения порошка и связующего полимера, отлили ровные эластичные плитки пластика. Заработали они безупречно. Но как же получилось, что связующий материал, который должен был помешать газу проникать к частицам, герметизировать их, пропускал газ лучше, чем фильтр, который пробовали установить ранее?

Как выяснили, помогал тот эффект, который превращал сплав в порошок. Впитывая водород, частицы порошка увеличивались в объеме, разбухали и образовывали в полимере поры, которые объединялись в разветвленную цепь микромагистралей для газа. Так что после некоторой приработки аккумулятор был полностью готов к работе.

Такие аккумуляторы уже проходят испытания в Москве на грузовых автомобилях ЗИЛ-130. Установленные на место запасного бензобака, они подают газ в карбюратор двигателя, куда поступает и бензин из другого бака. Даже это, так сказать, половинчатое решение проблемы позволило снизить затраты бензина на 25 % и вдесятеро понизило токсичность выхлопных газов! Вот результат лишь частичной замены бензина на водород!

Аккумуляторы работают безотказно, единственным их недостатком оказалось то, что невозможно было определить, сколько осталось водорода. Для автомобиля, работающего на смеси водорода с бензином, это было и необязательно: когда кончался водород, машина продолжала ехать на чистом бензине. Ну а как быть, когда автомобиль полностью перейдет на водород?

Решением этой задачи и занялись химики. Еще в исследованиях они заметили, что электрическое сопротивление гидридов выше, нежели у чистого сплава. Это обстоятельство и решили использовать. В аккумулятор вмонтировали специальный датчик — цилиндрик полимера с гидридом, зажатый между двух электродов. К нему подключили омметр, и теперь шкала прибора, проградуированная в единицах емкости, стала показывать запас водородного топлива. Так что прибор для будущего водородного автомобиля готов. И создание самого автомобиля уже начато.

Правда, вспомнив, что мы писали выше, вы скажете: емкость аккумулятора на сплаве титана с железом недостаточно велика, чтобы обеспечить автомобилю большой запас хода. Правильно. Поэтому химики решили вернуться к более емкому металлу — магнию. Работать с этим металлом будет труднее, но сегодня ученые вооружены соответствующей аппаратурой и опытом работы с гидридами. Но и разработанный уже аккумулятор... также будет работать на этом автомобиле. Так называемый маршевый аккумулятор на магнии будет питать двигатель в поездке, а аккумулятор на основе титана и железа будет пусковым — с его помощью двигатель автомобиля будут запускать, и уже его тепло подогреет маршевый аккумулятор, чтобы извлечь из него водород.

А. ФИН, Ю.Т 1986г

Смотрите также: Бензиновый двигатель на воде