Как работает водородный автомобиль.

На сегодняшний день в продажу ещё не поступили автомобили,  работающие на водороде,  но такой автомобиль можно взять напрокат в США —штат Калифорния. Автомобиль, работающий на водороде, не использует бензин и не загрязняет воздух,  а вместо выхлопных газов он выделяет пар.
Несмотря на то что автомобиль,  работающий на водороде, кажется чем-то из области научной фантастики, идея эта далеко не нова. Технология использования водорода для производства электроэнергии появилась примерно в первой половине XIX века и это раньше чем появились автомобили. Большинство автомобилей,  работающих на водороде — это концепт — кары,  число которых входит Chevrolet Equinox, BMW 745h, ну и автомобиль доступный на данный момент в Калифорнии — Honda FCX. Топливная ячейка — это то, что делает возможным использование водорода в качестве автомобильного топлива. Она преобразует водород в электричество, при этом выделяется тепло и вода, в качестве побочных продуктов. На первый взгляд водород выглядит как идеальное топливо и многие люди в правительстве и автомобильной промышленности в восторге от его потенциала. Но есть ряд вопросов на которые надо ответить,  перед тем как запустить в серийное производство автомобили, работающие на водороде. Например, откуда получать водород в большом количестве?  Насколько дорого будут стоить такие автомобили? И пожалуй, главный вопрос, действительно ли водород настолько экологически чистый насколько кажется?
 
Водородные топливные ячейки.
В 1839 году,  валлийский учёный сэр William Robert Grove,  обнаружил, что процесс электролиза обратим и получил электрическую энергию и воду из водорода. Он назвал своё изобретение газовольтовой батареей,  сегодня его изобретение известно как водородный топливный элемент  или топливная ячейка. Намного позже, в середине XX века, технология получила дальнейшее развитие благодаря инженеру Francis Bacon.
Первая топливная ячейка была разработана в начале 1960 годов компанией General Electric, для использования в орбитальных космических капсулах. А в 90-е годы прошлого столетия, топливные элементы,  начали появляться в городских автобусах,  теперь уверенно можно сказать, что возможно движение автомобиля от топливной ячейки. Топливом, для водородной топливной ячейки, как следует из названия — является водород. Из курса школьной химии известно, что водород состоит из одного электрона и одного протона. Топливный элемент генерирует электричество, забирая у атома водорода электроны. Из ионизированных атомов водорода и кислорода образуется вода,  а также побочный продукт — тепло, поэтому вода выделяется в виде пара.
Топливные ячейки состоят из двух электродов, отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, катализатора и мембраны. Молекулы водорода располагаются на катоде, каждая молекула состоит из двух атомов водорода. Катализатор на аноде разбивает молекулы водорода на катионы водорода (протоны) и поток электронов. Катионы проходят через мембрану,   которая не пропускает электроны. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, образуя воду,  которая является единственным продуктом данной реакции. Топливные элементы можно соединять между собой, получая нужную мощность и напряжение.
Многие люди думают, что экологически чистые транспортные средства, такие как водородный автомобиль, будут иметь решающее значение в удовлетворении энергетических потребностей в XXI веке и в доказательство этому в 2003 году, президент США — Джордж Буш выделил 1,2 млрд долларов на развитие технологии топливных элементов.
Топливные элементы обладают двумя основными преимуществами по сравнению с ископаемыми видами топлива. Во-первых использование они позволяет сохранить существующие запасы нефти, а во-вторых побочным продуктом  их работы  является пар,  который не загрязняет атмосферу. Это очень актуальная тема потому что выбросы углекислого газа от автомобилей, как полагают, содействуют глобальному потеплению. 
 
Производство автомобилей, работающих на водороде.
Производство автомобиля, работающего на водороде, не сильно отличается от производства типичных автомобилей. Конечно, такой автомобиль, будет несколько уникален тем, что приводится в движение электрическими двигателями.
Возможно, главный вопрос на который предстоит найти ответ:  “Как производить водород? ”. Учитывая тот факт,  что водород самый распространённый элемент во Вселенной, можно подумать,  что это не будет проблемой. Давайте поразмышляем, кроме того, что водород самый распространённый, он также самый лёгкий элемент во Вселенной и для того, чтобы он оставался на поверхности Земли и не улетал в космическое пространство, его должно что-то сдерживать. Сдерживать его может связь с другим или другими химическими элементами. Наиболее часто встречающаяся связь водорода  — это вода (H2O) и воды на Земле достаточное количество.
Но как разделить молекулу воды, отделив при этом молекулу водорода? Может быть, можно ещё откуда-то получать водород?
Простейший способ получения водорода из воды, знал ещё сэр William Grove, больше чем 150 лет назад — это электролиз. Если пропустить через воду электрический ток, молекулы воды разрушаются. Подобно процессу,  происходящему в топливной ячейке, для этого используется анод и катод, которые обычно изготавливают из инертных металлов.
Когда электрический ток пропускают через воду, на катоде образуется водород, а на аноде образуется кислород. Хотя этот процесс происходит медленно, делать это можно в большом масштабе.
Альтернативным источником водорода может служить природный газ, который состоит из природных углеводородов. В настоящее время — это наиболее распространённый способ промышленного производства водорода. К сожалению, в этом процессе используется природное ископаемое — природный газ. Так что производство автомобилей, работающих на водороде, не поможет избежать истощения запасов ископаемого топлива.
Некоторые эксперты полагают, что возможно сделать миниатюрные водородные установки, которые помещались бы в гараже автолюбителя. Самой последней формой этой идеи было предложение, сделать так чтобы процесс электролиза происходил внутри самого автомобиля. Тем не менее энергия для электролиза должна исходить от какой-то батареи и “автомобиль на воде” надо будет периодически заряжать.

Неудача водородного автомобиля.
Проблемы,  связанные с производством водородного автомобиля,  можно разбить на две категории:
затраты на разработку технологии;
трудности и опасности, связанные с хранением водорода и то что эта технология, на самом деле, не такая уж безвредна;
Давайте рассмотрим их подробнее.
Стоимость разработки автомобилей,  работающих на водороде, очень высока. Кроме того,   что надо проектировать и разрабатывать топливные элементы,  также надо развивать инфраструктуру для поддержки этих автомобилей. Давайте представим, что у нас есть автомобиль, работающий на водороде и нет установки в гараже, которая производит водород. Возникает вопрос где заправляться? Единственное место где на данный момент существует достаточное количество таких станций — это Калифорния (штат США). Там вопросом развития этой инфраструктуры занимается губернатор — Арнольд Шварценеггер. По некоторым из наиболее пессимистичных прогнозов, строительство инфраструктуры, которая сможет обеспечивать значительное количество автомобилей водородным топливом,  займёт до четырёх десятилетий, при затратах в 500 млн долларов.
В топливном элементе, в качестве катализатора выступает платина,  а цена одного автомобиля, работающего на водородных топливных элементах,  превышает 100 тысяч долларов.
Вот почему автомобили, работающие на водороде,  до сих пор доступны только в аренду.
В настоящее время разрабатываются другие катализаторы, которые, вероятно, будут дешевле чем платина, но никто не знает насколько скоро они будут доступны для крупномасштабного использования.
Водород легко воспламеняется и как полагают некоторые, в 1930 году в Гидзенбурге это и стало причиной пожара. К счастью, сгорающий водород не может нанести большой вред, как это происходит в случае, когда горит бензин, все потому, что он лёгкий и быстро поднимается вверх.
Теперь давайте поговорим об экологичности автомобиля, работающего на водороде. Топливный элемент производит только тепло и воду в качестве выхлопа, но процессы для получения водорода, не так уж безвредны. При электролизе используется электричество, которое получают, сжигая уголь. Когда водород получают из природного газа,  выделяется углекислый газ, тот — выбросы которого хотели уменьшить, разрабатывая автомобиль, работающий на водороде.