Кандидат технических наук Е. КУЛАКОВ,кандидат технических наук С. СЕВРУК, кандидат химических наук А. ФАРМАКОВСКАЯ. Человечество, судя по всему, не собираетсяотказываться от автомобилей. Мало того: автомобильный парк Земли можетв скором времени увеличиться примерно вдвое - главным образом за счет массовойавтомобилизации Китая.Между тем несущиеся по дорогам машины выбрасываютв атмосферу тысячи тонн угарного газа - того самого, присутствие которогов воздухе в количестве, большем десятой доли процента, для человека смертельно.А помимо угарного газа - и многие тонны окислов азота и прочих ядов, аллергенови канцерогенов - продуктов неполного сгорания бензина.Во всем мире давно ведется поиск альтернативавтомобилю с двигателем внутреннего сгорания. И наиболее реальной из нихсчитается электромобиль (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " №№ 8, 9, 1978 г.). Первыев мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобилис двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.Тяговый электродвигатель в таких электрическихавтомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторовс энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм.Значит, для того, чтобы "прокормить" двигатель мощностью в 20 киловатт(27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятормассой в 1 тонну. Эквивалентное же ему позапасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всегов 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилейстало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвьюавтомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологическиепроблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.Сама по себе замена ДВС электродвигателем,конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массойполегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 летпосле первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (тоесть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов(43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобакаостаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.Если же учесть необходимость многочасовойзарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие,относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслужившихбатарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторныйэлектромобиль пока непригоден.Настал, однако, момент сказать, что электродвигательможет получать энергию и от другого рода химических источников тока - гальваническихэлементов. Наиболее известные из них (так называемые батарейки) работаютв переносных приемниках и диктофонах, в часах и карманных фонариках. Воснове работы такой батарейки, так же, как и любого другого химическогоисточника тока, лежит та или иная окислительно-восстановительная реакция.А она, как известно из школьного курса химии, сопровождается передачейэлектронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого(окислителя). Такую передачу электронов можно осуществить через внешнююцепь, например, через лампочку, микросхему или мотор, и тем самым заставитьэлектроны работать.С этой целью окислительно-восстановительнуюреакцию проводят как бы в два приема - разбивают ее, так сказать, на двеполуреакции, протекающие одновременно, но в разных местах. На аноде восстановительотдает свои электроны, то есть окисляется, а на катоде окислитель эти электроныпринимает, то есть восстанавливается. Сами же электроны, перетекая с катодана анод через внешнюю цепь, как раз и совершают полезную работу. Процессэтот, разумеется, небесконечен, поскольку и окислитель, и восстановительпостепенно расходуются, образуя новые вещества. И в результате источниктока приходится выбрасывать. Можно, правда, непрерывно или время от временивыводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подаватьв него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива,и именно потому такие элементы носят название топливных (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь "№ 9, 1990 г.).Эффективность подобного источника токаопределяется прежде всего тем, насколько удачно выбраны для него и самиреагенты, и режим их работы. С выбором окислителя особых проблем нет, посколькуокружающий нас воздух состоит более чем на 20% из прекрасного окислителя- кислорода. Что же касается восстановителя (то есть горючего), то с нимдело обстоит несколько сложнее: его приходится возить с собой. И потомупри его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетическогопоказателя - полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.Наилучшими в этом отношении свойствамиобладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельныеметаллы, а затем - алюминий. Но газообразный водород пожаро- и взрывоопасен,а под большим давлением способен просачиваться через металлы. Сжижать егоможно лишь при очень низких температурах, а хранить - достаточно сложно.Щелочные и щелочноземельные металлы тоже пожароопасны и, кроме того, быстроокисляются на воздухе и растворяются в воде.У алюминия ни одного из этих недостатковнет. Всегда покрытый плотной пленкой оксида, он при всей своей химическойактивности почти не окисляется на воздухе. Алюминий сравнительно дешеви нетоксичен, его хранение не создает никаких проблем. Вполне разрешимаи задача его введения в источник тока: из металла-горючего изготавливаютанодные пластины, которые периодически - по мере их растворения - заменяют.И, наконец, электролит. Он в данном элементеможет быть любым водным раствором: кислотным, щелочным или солевым, посколькуалюминий реагирует и с кислотами, и со щелочами, а при нарушении оксиднойпленки растворяется и в воде. Но использовать предпочтительнее щелочнойэлектролит: это проще для проведения второй полуреакции - восстановлениякислорода. В кислой среде он восстанавливается тоже, но лишь в присутствиидорогостоящего платинового катализатора. В щелочной же среде можно обойтиськуда более дешевым катализатором - оксидом кобальта или никеля или активированнымуглем, которые вводятся непосредственнов пористый катод. Что же касается солевого электролита, то он обладаетменьшей электропроводностью, а выполненный на его основе источник тока- примерно в 1,5 раза меньшей энергоемкостью. Поэтому в мощных автомобильныхбатареях целесообразно применять щелочной электролит.У него, однако, тоже есть недостатки, главныйиз из которых - коррозия анода. Идет она параллельно с основной - токообразующей- реакцией и растворяет алюминий, преобразуя его в алюминат натрия с одновременнымвыделением водорода. Правда, с мало-мальски ощутимой скоростью эта побочнаяреакция идет лишь при отсутствии внешней нагрузки, именно потому воздушно-алюминиевыеисточники тока нельзя - в отличие от аккумуляторов и батареек - долго держатьзаряженными в режиме ожидания работы. Раствор щелочи в этом случае приходитсяиз них сливать. Но зато при нормальном токе нагрузки побочная реакция почтинеощутима и коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%.Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится:отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можноснова заливать в элемент.Есть в применении щелочного электролитав воздушно-алюминиевом источнике тока и еще один недостаток: в процессеего работы расходуется довольно много воды. Это повышает концентрацию щелочив электролите и могло бы постепенно изменять электрические характеристикиэлемента. Существует, однако, такой интервал концентраций, в котором этихарактеристики практически не меняются, и если работать именно в нем, тодостаточно лишь время от времени добавлять в электролит воду. Отходов впривычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источникатока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксидалюминия - это просто белая глина, тоесть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценныйкак сырье для многих отраслей промышленности.Именно из него, например, обычно производяталюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплавэтого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутыйресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока.Принцип действия воздушно-алюминиевого элемента.
Кислород активно окисляет алюминий анода, забирая у него электроныи отрицательно заряжая катод. Окисляющийся же алюминиевый анод электроныотдает и заряжается положительно. Разряд происходит через нагрузку.
Электролит - из-за образующегося в нем окисла алюминия - время отвремени автоматически очищают.Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельнойкоммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей,лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетическихковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтическойпромышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов,при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многиеискусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты - выполняютсяна основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома,титана или бериллия соответственно.Стоимость "отходов" воздушно-алюминиевогоисточника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а массаих при этом в три раза больше массы исходного алюминия.Почему же, несмотря на все перечисленныедостоинства кислородно-алюминиевых источников тока, они так долго - досамого конца 70-х годов - всерьез не разрабатывались? Всего только потому,что они не были востребованы техникой. И лишь с бурным развитием такихэнергоемких автономных потребителей, как авиация и космонавтика, военнаятехника и наземный транспорт, ситуация изменилась.Начались разработки оптимальных композицийанод - электролит с высокими энергетическими характеристиками при низкихскоростях коррозии, подбирались недорогие воздушные катоды с максимальнойэлектрохимической активностью и большим сроком службы, рассчитывались оптимальныережимы как для длительной эксплуатации, так и для короткого времени работы.Разрабатывались и схемы энергетическихустановок, содержащие, кроме собственно источников тока, и ряд вспомогательныхсистем - подачи воздуха, воды, циркуляции электролита и его очистки, терморегулированияи пр. Каждая из них сама по себе достаточно сложна, и для нормального функционирования энергоустановки в целом потребовалась микропроцессорная система управления,которая задает алгоритмы работы и взаимодействия всем остальным системам.Пример построения одной из современных воздушно-алюминиевых установок представленна рисунке (стр. 63.): на нем толстыми линиями обозначены потоки жидкостей(трубопроводы), а тонкими - информационные связи (сигналы датчиков и командуправления.В последние годы Московским государственнымавиационным институтом (техническим университе том) - МАИ совместно с научно-производственнымкомплексом источников тока "Альтернативная энергетика" - НПК ИТ "АльтЭН"создан целый функциональный ряд энергетических установок на основе воздушно-алюминиевыхэлементов. В том числе - экспериментальная установка 92ВА-240 для электромобиля.Ее энергоемкость и, как следствие, пробег электромобиля без подзарядкиоказались в несколько раз выше, чем при использовании аккумуляторов - кактрадиционных (никель-кадмиевых), так и вновь разрабатываемых (серно-натриевых).Некоторые удельные характеристики электромобиля на этой энергоустановкеприведены на прилегающей цветной вкладке в сравнении с характеристикамиавтомобиля и электромобиля на аккумуляторах. Сравнение это, однако, требуетпояснений. Дело в том, что для автомобиля учтена лишь масса топлива (бензина),а для обоих электромобилей - массаисточников тока в целом. В связи с этим необходимо заметить, что электродвигательимеет значительно меньший вес, чем бензиновый, не требует трансмиссии ив несколько раз экономнее расходует энергию. Если учесть все это, то окажется,что реальный выигрыш нынешнего автомобиля будет в 2-3 раза меньшим, новсе же пока достаточно большим.Есть у установки 92ВА-240 и другие - чистоэксплуатационные - преимущества. Перезарядка воздушно-алюминиевых батарейвообще не требует электросети, а сводится к механической замене отработанныхалюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 минут. Еще проще ибыстрей происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроксидаалюминия. На "заправочной" станции отработанный электролит подвергают регенерациии используют для повторной заправки электромоби лей, а отделенный от негогидроксид алюминия направляют на переработку.Помимо электромобильной энергоустановкина воздушно-алюминиевых элементах теми же специалистами создан целый рядмалых энергоустановок (см. "самый интересный журнал Наука и жизнь " № 3, 1997 г.). Каждую из этихустановок можно механически перезаряжать не менее 100 раз, и число этоопределяется в основном ресурсом работы пористого воздушного катода. Асрок хранения этих установок в незаправленном состоянии вообще не ограничен,поскольку потерь емкости при хранении нет - саморазряд отсутствует.В небольших по мощности воздушно-алюминиевыхисточниках тока можно использовать для приготовления электролита не толькощелочь, но и обычную поваренную соль: процессы в обоих электроли тах протекаютаналогично. Правда, энергоемкость солевых источников в 1,5 раза меньше,чем щелочных, но зато пользователю они причиняют гораздо меньше хлопот.Электролит в них получается совершенно безопасным, и работу с ним можнодоверить даже ребенку.Воздушно-алюминиевые источники тока дляпитания маломощной бытовой техники выпускаются уже серийно, и цена их вполнедоступна. Что же касается автомобильной энергоустановки 92ВА-240, то онапока существует только в опытных партиях. Один ее экспериментальный образецноминальной мощностью 6 кВт (принапряжении 110 В) и емкостью 240 ампер-часов стоит около 120 тысяч рублейв ценах 1998 года. По предварительным расчетам, эта стоимость после разворачиваниясерийного производства снизится по крайней мере до 90 тысяч рублей, чтопозволит выпускать электромобиль ценою не намного большей, чем автомобильс двигателем внутреннего сгорания. Что же касается стоимости эксплуатацииэлектромобиля, то она и теперь вполне сопоставима со стоимостью эксплуатацииавтомобиля.Дело остается за малым - произвести болееглубокую оценку и расширенные испытания, а затем при положительных результатахначинать опытную эксплуатацию.
Энергия, которая крутит колесаВавтомобиле с двигателем внутреннего сгоранияВ электромобилеНа аккумуляторахНа воздушно-аллюминиевыхэлементахУдельнаяэнергое-мкость, вт-ч/кг1300050200Уд.масса на 100 км пробегаТоплива8-10 кг.Источника тока300 кг.Источника тока75 кг.Примерныйобъем источника энергиитоксичныйтоксичныйНетоксичныйОтходыот работыоксиды азота
угарный газ
свинецсерная кислотабелаяглина
Энергоустановка на воздушно-алюминиевых элементах
занимает лишь часть багажника автомобиля и обеспечивает
дальность его пробегадо 220 километров.Малогабаритный воздушно-алюминиевый элемент на солевом
электролите может заменить четыре батарейки.Энергоустановка ЭУ 92ВА-240 на воздушно-аллюминиевых элементах