ВОДОРОД И БЕНЗИН: СТОЛЕТНЕЕ ПРОТИВОСТОЯНИЕ О.А.Козадеров кандидат химических наук ассистент кафедры физической химии Воронежского государственного университета

год: Америка признала водород нерентабельным автомобильным топливом Президент США Барак Обама ликвидировал Фонд развития автомобилей с водородными двигателями Министр энергетики США Стивен Чу считает эту технологию бесперспективной, в отличие от гибридных автомобилей

3 Водородный автомобиль на топливных элементах водород окисляется в топливном элементе (fuel cell, FC): его химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию вместо бензинового двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.) для приведения автомобиля в движение используется электродвигатель

4 Гибридный автомобиль используются два двигателя: бензиновый д.в.с. и электродвигатель д.в.с. приводит в движение электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для заряда аккумуляторов аккумуляторы, разряжаясь, передают энергию на электродвигатели, приводящие автомобиль в движение

5 Водород или бензин?

6 Топливный элемент (ТЭ) – «сердце» водородного автомобиля Химический источник тока, в котором электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно и раздельно поступающими к электродам ТЭ извне. Продукты реакции непрерывно выводятся из топливного элемента Анодная реакция: H 2 – 2е – 2H + (1) Катодная реакция: ½ O 2 + 2H + + 2е – Н 2 О (2) Токообразующая реакция: H 2 + ½ O 2 H 2 O (3)

7 Энергоэффективность топливного элемента Максимальный коэффициент полезного действия к.п.д. (макс.) = W макс / Q Электрическая работа топливного элемента W макс = Q + T S Q – теплота сгорания топлива Т – абсолютная температура S – изменение энтропии при окислении топлива (определяется балансом превращения газов, участвующих в токообразующей реакции) к.п.д. (макс.) = 1 + T S / Q В зависимости от знака при S электрохимическим путем можно получить как больше, так и меньше энергии, чем это соответствует тепловому эффекту сгорания топлива

год - открытие топливного элемента Вильям Гроув (1811 – 1896) электролиз воды под действием электрического тока, вырабатываемого в топливном элементе Н 2 О = Н 2 + О 2 водородно- кислородный топливный элемент Гроува

9 Предсказание фантаста (1874 год) «… воду когда-нибудь будут употреблять как топливо, … водород и кислород, которые входят в ее состав, … явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь… Вода - уголь будущего." (роман «Таинственный остров», глава «Топливо будущего») Жюль Верн ( )

10 Уголь, а не водород Людвиг Монд (1839 – 1909) Вильгельм Оствальд ( ) «... Если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию непосредственно из угля и кислорода воздуха …, то это будет техническим переворотом… Как будет устроен такой гальванический элемент, в настоящее время можно только предполагать... Только подумайте, как изменятся индустриальные районы! Ни дыма, ни сажи, ни паровых машин, никакого огня…"

11 Сокрушительные удары для топливных элементов 1872 год – Ф. фон Хефнер- Альтенек сконструировал первый эффективно действующий генератор постоянного тока (электрогенератор) немецкими изобретателями Готлибом Даймлером в 1883 году и Карлом Бенцем в 1884 году построены первые бензиновые двигатели 1901 год – Ф. Порше создал одну из первых бензиново- электрических автомашин («Миксте») Первый в мире выезд Карла Бенца на автомобиле собственной конструкции Первый мотоцикл Готлиба Даймлера

12 Водород как моторное топливо В период с 1920-х до начала 1940-х гг. весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы Н. Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной

год, СССР: зарождение водородной энергетики масштабное практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Борис Исаакович ( ) предложил использовать водород, "отработавший" в аэростатах, как топливо для работы нескольких сотен автомобилей ГАЗ-АА

14 Возвращение топливного элемента 1941 год - Государственная премия СССР «За выдающиеся изобретения» (инженер П.Спиридонов, руководитель научной группы новых источников тока) за доказательство существования реальной возможности практического использования топливных элементов 1947 год – монография О.Давтяна (СССР) «Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую»

15 Водород – идеальное топливо для топливного элемента химически активный легко подводится в топливный элемент продукт реакции – вода – легко отводится из ТЭ неисчерпаемый источник – вода сейчас водород получают за счет более дешевой переработки природного газа, основным компонентом которого является метан СН 4 + Н 2 О(пар) = 3Н 2 + СО

16 Требования к электродам ТЭ обеспечение условий для большой скорости токообразующей химической реакции в ТЭ пористые каталитически активные универсальный материал - платина Pt – высокоактивна – долговечна – устойчива к коррозии и компонентам электролита.

17 Первый автомобиль на топливных элементах (1959 г.) Английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон сконструировал и построил батарею из 40 топливных элементов общей мощностью в 6 киловатт (к.п.д. = 80%). Батарея Бэкона могла приводить в действие электрокар, циркульную пилу и сварочный аппарат В США представителям печати и общественности был продемонстрирован электротрактор на топливных элементах, спроектированный по патенту Бэкона и построенный фирмой «Аллис- Чалмерс».

18 Минусы водородных автомобилей на топливных элементах соотношение массы автомобиля к его мощности слишком велико; топливная батарея эффективно работает только на чистом водороде; платиновые электроды отравляются под воздействием примесей, неизбежно присутствующих в дешевых топливах- источниках водорода высокая стоимость и дефицит платины

е гг.: нефтяной кризис и создание Мировой водородной ассоциации

20 Первый пассажирский водородный транспорт на топливных элементах 1982 г. Микроавтобус на топливных элементах «Квант-РАФ» (СССР) 1970 г. Легковой автомобиль на топливных элементах Austin A 40 (США)

21 Мембранный электролит Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой «Дюпон» в России аналогичные мембраны МФ-4СК выпускает фирма «Пластполимер»

22 Очень дорого Автомобиль – Мощность 50 кВт – Стоимость топливного элемента 250 тыс.долл. Автобус – Мощность 200 кВт – Стоимость топливного элемента 1 млн.долл.

23 Современные проблемы водородных автомобилей на топливных элементах проблемы коммерциализации – высокая стоимость – недостаточный срок службы проблемы получения и хранения Н 2 на борту автомобиля отсутствие инфраструктуры

24 Водород + бензин: конец противостоянию? BMW и Mazda: нужно сохранить в водородном автомобиле возможность ездить на бензине – активно разрабатываются системы хранения Н 2, наиболее близкие к серийному производству: баллоны с газообразным водородом, находящимся под высоким давлением (Mazda) топливные баки с жидким водородом, находящимся при низкой (–253 С) температуре (BMW) Национальная ассоциация водородной энергетики (Россия): нужно применять водород в качестве добавки к основному (бензиновому) топливу – это способствует улучшению топливной экономичности д.в.с. и снижению выброса вредных веществ

25 При подготовке презентации использованы фотоматериалы, размещенные на сайтах: Национальной ассоциации водородной энергетики – – –