Автомобиль, поглощающий ядовитое ракетное горючее, может стать реальностью, если японские инженеры доведут до ума оригинальную систему питания "зелёных" машин и экзотические топливные элементы. Авторы новации утверждают, что она безопасна и удобна в использовании. Противогаз можете не покупать. Гидразин и его производные – это очень сильные яды. Но поскольку это топливо – долгохранимое и не требующее особых условий содержания (кроме герметичности бака, конечно), а в сочетании с определённым окислителем ещё и самовоспламеняющееся, инженеры с радостью применяют его в качестве ракетного горючего. Особенно, в военных "изделиях".
Ракетчиков не смущает даже то, что от паров соединений гидразина человека не может защитить даже противогаз (обычного типа). А вот что скажут автомобилисты, если их попробуют превратить в "ракетчиков" – это интересно.
Но обо всём по порядку. Компания
Daihatsu, совместно с японским национальным институтом передовых прикладных наук и технологий (
AIST) разработала новый класс топливных элементов: не нуждающиеся в платине, прямого действия, на гидразине. Называется такой элемент DHFC.
Топливом для него служит гидразин гидрат (N2H4·H2O), довольно широко применяемый в химической промышленности. Выхлоп же нового топливного элемента представляет собой воду и азот. Никаких вредных веществ, никакого парникового CO2. Красота.
На этом рисунке компания поясняет главную разницу между традиционными топливными элементами (слева) и элементом с анионообменной мембраной (справа). 1 — электроды; 2 — мембрана (иллюстрация Daihatsu). Интересно, что если обычные топливные элементы работают, когда через их мембраны проходят протоны, в новом устройстве инженеры перевернули технологию, в некотором роде, с ног на голову. Реакцию в DHFC обеспечивают бегущие сквозь мембрану анионы (OH-). Соответственно, ключом к созданию нового топливного элемента стала анионнообменная электролит-мембрана.
Благодаря такой "химии" в качестве катализаторов (покрытия электродов) в новом устройстве удалось применить кобальт и никель. Куда более дешёвые материалы, нежели применяемая в обычных (водородных) топливных элементах платина.
Как пишет в своём
пресс-релизе Daihatsu, в блоке топливных элементов, работающих на водороде и достаточных для питания одной легковушки, платины содержится примерно 100 граммов. А это несколько тысяч долларов.
Максимальная плотность мощности (отмерена по вертикали) построенного опытного DHFC (красный график) составила 0,5 ватта на квадратный сантиметр мембраны, а плотность тока (по горизонтали) — примерно 1300 миллиампер на квадратный сантиметр. Это, как минимум, не хуже, чем у сегодняшних водородных топливных элементов (серый график) (иллюстрация Daihatsu). Отсутствие же платины в новом аппарате, наряду с другими хитростями (недорогими материалами для сепаратора, корпуса и прочих деталей), позволило сделать новый топливный элемент сравнительно дешёвым. Неудивительно, что Daihatsu прочит DHFC применение в качестве "сердца" в экологически чистых автомобилях нового поколения.
Но вот важный момент. Как мы уже сказали, гидразин и его производные – сильные яды. Страшно представить, что будет, если при аварии на дороге бак с гидразином даст течь.
"А вот и не страшно" – утверждает японская компания. Она весьма оригинально решила вопрос безопасности применения столь ядовитого вещества в качестве топлива.
Daihatsu придумала специальный бак, наполненный гранулированным полимером, содержащим карбонильную группу (>C=O). При заправке бака, гидразин гидрат вступает в реакцию с полимером. Происходит дегидратация и конденсация топлива, и гидразин оказывается химически связан.
Теперь, внутри ёмкости, он образует твёрдый материал — гидразон (hydrazone, >C=N2H2), который совершенно безопасен в хранении и которому не страшно разрушение бака в случае аварии. А вода, входившая в состав гидразин гидрата, при заправке, из этого самого бака откачивается.
Когда же требуется извлечь связанное топливо, в бак направляется порция горячей воды. Реакции идут в обратном направлении, и полимер высвобождает гидразин гидрат, который перекачивается в топливный элемент (подробности в
статье авторов технологии в журнале Angewandte Chemie).
Топливный же элемент, как водится, вырабатывает ток для зарядки аккумуляторов авто и питания его электродвигателей.
Принцип работы гипотетического гидразинового авто. На врезке — реакции, идущие при заправке бака и связывании топлива, и при освобождении горючего для переправки в топливный элемент (иллюстрация Daihatsu). Насколько удобна и безопасна такая заправка? Конечно, можно пофантазировать, что на самой АЗС гидразин будет храниться также в виде гидразона. Лишь в момент заправки он будет соединяться с водой, чтобы его можно было бы перекачать в бак автомобиля.
В машине также опасение вызывает лишь небольшая магистраль, соединяющая топливные ячейки с баком. Ведь там будет курсировать гидразин гидрат.
Зато хранить новое горючее в подобной машине на топливных элементах несравненно проще, чем водород, который требует либо высокого давления (газообразный, 350 атмосфер), либо низкой температуры (253 градуса Цельсия ниже нуля), а значит – очень прочного баллона или очень толстых теплоизолирующих стенок бака.
Daihatsu также отмечает, что DHFC обладают большим ресурсом и высокой мощностью. В общем, достоинств у такой технологии масса. Потому компания намерена продолжить исследовательские и проектные работы по экзотическому топливному элементу. Она надеется улучшить "ёмкостные" параметры полимера, захватывающего гидразин гидрат, дополнительно повысить мощность, надёжность и долговечность DHFC и подойти к решению проблемы инфраструктуры.
