Автомобиль құрылысы және оның отын жүйесі
“AlMobile” автомобилін жасау барысында алдымен автомобиль ішінде өтетін сутек өндірісі кезіндегі химиялық және электрохимиялық реакцияларды есептеу, өндірілген сутекті тазарту үшін фильтр жүйесін жасау және құрылғының отын элементі жүйесін сипаттау мәселелерін шешуді қажет ететін, негізгі техникалық мәселелерге назар аудару қажет.
Радио байланыс арқылы басқарылатын “AlMobile” келешек автомобилі алюминий қалдықтары мен судан нәр алады және кәдімгі натрий гидрооксидін катализатор ретінде қолданады.
Алюминий қалдықтары (біздің жағдайда, шөліңді қандыратын сусынның сыртқы құты) натрий гидроксиді ерітілген суы бар ыдысқа орналастырылады.
Алюминий жеңіл металлдар тобына жатады. Ол әлемде кеңінен таралған металл әрі жер қыртысындағы оттек пен кремнийден кейін үшінші орында тұрған химиялық элемент. Тұңғыш рет алюминийді 1825 жылы дат ғалымы Ганс Эрстед сынаптың кейінгі қайнатып алуынан калий амальгамының алюминий хлоридімен әсері кезінде ашты. Элемент атауы латынның aluminis – «ашытқы» сөзінен шықты. Алюминийдің оттекпен өте берік химиялық байланысы бар. [10]
Алюминий – жеңіл және иілімді ақ түсті металл, жұқа оксид қабатына байланысты күңгірт күміс түсті болып келеді. Ол химиялық элементтердің периодтық жүйесінде III- топқа кіреды, Al белгісімен белгіленеді, атомдық нөмірі 13-ке және атомдық массасы 26,98154-ке тең. Балқу температурасы 660ºС. Алюминий әлемде кеңінен таралған: осы параметрі жағынан ол бүкіл элементтердің ішінен 4-ші орынға, ал металлдардың ішінен 1-ші орынға (жер қыртысының 8,8% массасына) ие, бірақ таза күйінде ешбір кездеспейді. Оны әдетте бокситтерден өндіреді және алюминий минералдарының (алюмиосиликаттар, алуниттер, т.б.) 100 түрі белгілі, олардың көбісі алюминий өндіруге жарамсыз болып келеді.
Қолданысының кең шоғырына арқау боларлық алюминийдің керемет қасиеттері бар. Өндірістің түрлі салаларында қолданылуы жағынан алюминий тек темірден ғана қалыс қалады. Қақтауға төзімді әрі иілімді алюминий түрлі формаларды қабылдай алады. Оның оксид қабаты коррозияға қарсы беріктігін ұлғайтады, сондықтан оның қолданылу мерзімі өте ұзақ уақытты қамтуы мүмкін. Бұдан басқа, алюминийдің жетістіктеріне оның жоғары ток өткізу қабілеті, улағыш емес қасиеті және қайта жасап шығару жағынан жеңілдігі жатады.
Сурет 6. Таза күйінде өндірілген алюминий
Алюминийдің қасиеттері оның әлем экономикасында жеңіл металл ретіндегі маңызын ұлғайтады. Ол - автомобиль, жүйрік пойыздардың вагондарын, кемелерді жасауда өте қажетті материал. Қазіргі заман құрылысында алюминийден жасалған құрылыс өнімдері қолданылады. Алюминий электр тогын өткізетін жоғарғы вольтты сымдарда толықтай дерлік мыстың орнын басты. Әр жыл сайын сатылатын тамақ жасауға қажетті ыдыс-аяқтардың жартысынан жуығы алюминийден жасалады. Дүкендерде сатылатын шөліңді қандыратын сусынның сыртқы құтын және қаптама қағазды (фольга) алюминийден басқа басқа металлдан жасалған түрін елестету қазіргі уақытта мүмкін емес. 2007 жылы әлемде әуелгі алюминийдің 38 млн т, ал 2008 жылы 39,7 млн т шығарылды. [11]
Алюминий – белсенді металл, бірақ сыртқы оксид қабатына байланысты оның сыртқы беті сумен әрекеттеспейді және қышқылданбайды. Алайда, оның сыртқы оксид қабатын алып тастасақ, алюминий белсенді түрде сумен әрекеттеседі.
Натрий гидроксиді (лат. Natrii hydroxidum; басқаша атаулары – күйдіргіш сода, каустик, күйдіргіш натр, күйдіргіш сілті) – ең көп таралған сілті, химиялық формуласы NaOH. Жыл сайын әлемде 57 тоннадан көп күйдіргіш натрий өндіріледі және қолданылады. Натрий тотығының гидраты NaOH – ақ түсті қатты зат. Егер күйдіргіш натрдың бір бөлігін ауада қалдырып кетсек, көп ұзамай ол сыртқа жайылып кетеді, себебі, ол ауаның барлық ылғалын өзінің бойына сіңіріп алады. Күйдіргіш натр суда жақсы ериді, әсіресе еру кезінде сыртқа көп мөлшерде жылу бөледі. Күйдіргіш натрдың ерітіндісі жақсы көпіреді.[12] Бұл біздің автомобильге қажетті қасиеттің бірі, себебі, су мен алюминий арасындағы химиялық әрекеттесуді бастау үшін натрий гидроксидінің жылу бөлу және көпіргіш қасиеті өте маңызды.
Сурет 7. Алюминий құтылары және натрий гидрооксиді
Натрий гидроксиді алюминиймен реакцияға түседі. Ол темір және мыспен (электрохимиялық потенциалы өте төмен металлдармен) әрекеттеспейді. Алюминий күйдіргіш сілтінің құрамында натрий тетрагидроксиалюминаты және сутек өндіру арқылы жеңіл ериді:
2Al0 + 2NaOH + 6H2O → 3H2↑ + 2Na[Al(OH)4]
2Al0 + 2Na+ + 8OH− + 6H+ → 3H2↑ + 2Na+[Al3+(OH)−4]− [13]
Біздің автомобильде алюминий мен судағы натрий гидроксидінің ерітіндісінде реакция жүреді:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Алюминий қалдықтары еріген натрий гидроксидімен әрекетке түскенде, сутек, кейін қайта қолданыла алатын натрий тетрагидрооксиалюминатын өндіреді. Бұл химиялық реакция алюминийдің өмір сүру кезеңін аяқтайды. 3 килограмм сусынның құтысы автомобильдің 1 сағатта жүру қуатына жетеді.
Әрі қарай бөлінген водород тазарту (фильтрация) жүйесіне өтеді. Ол екі кезеңді тазартудан тұрады. Тазартудың бірінші кезеңінде сірке қышқылы пайдаланылады. Сутек гидроксид қалдығын ұстап қалатын су мен сірке қышқылынан, тікелей тазартудан өтеді.
6 Сурет. Сірке қышқылы (этан қышқылы) - CH3COOH формуладағы органикалық зат
Гидроксидтен тазарған сутегі тазартудың екінші кезеңіне келіп түседі. Екінші тазартуда газдан барлық ылғалды жоятын силикагель шариктары себіледі.
Силикагельөзімен pH > 5—6 кезіндегі кремнийлі қышқылдардың (nSiO2·mH2O) көп ерітіндісінен құрылатын кепкен гель болып табылады.
7 сурет. Силикагель көмірқышқылды газды, сутекті, оттекті, азотты, хлорды және басқа да өнеркәсіптік газдарды кептіруге пайдаланады.
Толықтай тазартылған, таза сутекті газ әрі қарай автомобильдің отын жүйесінің ортадағы басты жағы – отын элементіне келіп түседі. Отын элементі сутек секілді отын және оттегі секілді сілтілену аралығындағы химиялық реакцияның қуатын тікелей электр қуаты мен жылуға айналдырады. 1830 жылдың аяғында Лондонда Сэр Вильям Грув (1811-1896) оттек пен сутекті қосу көмегімен электр энергиясын өндіруге арналған электролиз процесін қалай өзгертуді есептеп шығарды. Кейінірек Грув әлемдегі ең алғашқы отын элементін құрастырды және оны «газтәріздес гальваникалық батарея» немесе газды батарея деп атады. Ол платина электрородын сутек пен оттек арасында реакцияның катализдануы үшін пайдаланды. 2003 жылы, 160 жыл кейінірек және 15 млрд доллардағы көпшілік және жеке шығындарынан кейін бір ғана маңызды коммерциялық сатылу бар отын элементі болды. Көптеген себептермен отын элементін өзіне сутек пен оттекті қабылдайтын және өзінен тек қана су, электр және жылуды бөлетін «қара жәшік» ретінде санауға болады.
Отын элементтері үлкен шығындармен жүретін, тиімділігі аз процесті болдырмай, отынның химиялық энергиясының электр энергиясына айналуын іске асырады. Осындай электрохимиялық құрылғы отынның жоғары тиімділікті «суық» жануы нәтижесінде тікелей электрқуатын өңдеп шығарады. [15]
8 сурет. Тікелей метанолды отын элементі
Жұмыс кезінде отын элементі қызбайды. Реакция кезінде босатылатын қуат тікелей электр энергиясына айналады. Отын элементінде химиялық энергияның жылуға қайта айналуы болмайтындықтан, оның ПӘК-і Карно ережесімен шектелмейді және нақты реакциядан тәуелділікте оның ПӘК-і 100%, тіпті көбірек те болуы мүмкін. Бүгінде Грув аппараты – бұл жұқа (1-3 мм) тік бұрышты қорапша, мұнда екі электрод және қоймалжыңды сілті – электролит бар.
9 сурет. Отын элементінің ішкі түрі.
Анод және катод – бұл бүйір қабырғалары, бұларға сәйкесінше оттек пен сутек жіберіледі. Электродтар газ бен электролиттың байланысуын қамтамасыз етеді. Зарядтың тасымалдануы үш фазаларда – электрод, газ және электролиттің шегінде жүреді: электрон сутектен көмір бөлшегіне өтеді, ал сутектің молекуласы гидроксидтың молекуласымен әсер ететін протондарға бөлінеді:
2Н2 + 4ОН– → 4Н2О + 4 е–.
Әрі қарай электрондар бұрыштың бір бөлшегінен екіншісіне, ток жинақтаушыға қарай қозғалады, одан – ішкі тізбекке және әрі қарай – катодқа және тікелей оттек молекуласына қарай қозғалады. Электрондар ионға айналады, судың әрбір қос молекуласынан бір протонды алып отырып, гидроксидтың радикалын құрайды:
O2 +2Н2О +4 е– → 4OН–.
Отын элементінде қозғалғыш бөліктердің болмауы, ПӘК-тің жоғары пайыздарға (термодинамикалық - 83%, барлық элементтің - 70% жуық) иеленуі оның басымдылығын танытады.
Бірақ отынның қышқылдану (іштей жану) реакциясы бөлме температурасы кезінде өте жай жүреді – қоспа молекулаларының елеулі әрекеттесуі үшін жүздеген жылдар керек. Отын элементі үшін бұл өте төменгі меншікті қуатқа әкеліп соқтырады және оның көлемі өте үлкен өлшемде болуы керек.
Катодты және анодты реакцияны жеделдету қажет. Бұл үшін катализаторды қолдануға немесе ұяшық температурасын жоғарылатуға болады. Сілтілі электролитті оттегілі-сутекті отын элементі жағдайында жақсы катализаторды іріктеу мүмкін болып шықты; қос электродтар үшін ең тәуір катализатор – платина болып есептелінеді. Платинаның жұқа қабатымен электродтардың сыртқы бетін жабады. Осындай отын элементтерінің табысты болғаны соншалықты, бұларды өткен ғасырдың 60 жылдары Айға сапар шегуде энергиямен жабдықтау үшін пайдаланған. Айға сапар шегу үшін осындай отын элементтерін шығарған атақты философ және мемлекеттік қайраткері Фрэнсис Бэконның тікелей ұрпағы сэр Фрэнсис Т. Бэкон болды.
Сурет 10. Протон ауыспалы мембранасы (ПАМ) бар сутекті-оттекті отын элементінің тәсімі (батарея)
Қазірде «электролит» ретінде жұқа қабықша – полимерлы электролитты мембрана (ПЭМ) пайдалынады. Ол поливалентты қышқылдың үлкен молекуларынан тұрады. Оларда бүйірінен орналасқан көміртекті қаңқалы тізбекке қарай қышқыл қалдығының топтары [–SO3] бекітілген, ал протондар полимер бойынша еркін қозғалады. Заманауи отын элементі екі жақтарынан анодты және катодты катализаторлармен жабылған жұқа қабықшалардан (50 мкмден 250 мкм дейін) тұрады, катализатор қабаттарына қарай пластиналар – белгілі бір газ өткізгіш бұдырлы электр энергиясын жақсы өткізетін материалдан жасалған ток ажыратқыштар жабысқан. Пластиналарға каналдары бар науалар жабыстырылған, бұлар бойынша катод және анодқа оттек пен сутекті өткізіледі. Әдетте ең жоғарғы қуатты беру режимінде отын элементіндегі кернеу 0,5-0,6 В құрайды.
Сурет 11. Оттекті-сутекті отын элементі (әрекет ету әдісі)
Оттекті және сутекті отын элементі өндірісте және пайдалануда өте қымбат болып шықты. Отын элементінің қымбатшылығын арзан емес және өндірілу технологиясы күрделі келетін платина мен полимерлы электролитті қолдану шарттайды.
Бірақ ең жаманы басқада: пайдалану құны сутектің қымбатшылығынан тәуелді келеді және де отын элементі тек қана өте таза сутекті тұтынуға пейілді келеді – қоспалар, әсіресе иісті газ, платиналы катализаторды уландырады.
Сурет 12. Лондон қаласында сутекті отын элементінен қуат алатын Mercedes Benz Citaro автобустары пайдалануға берілді
Сурет 13. Honda FCX (Fuel Cell eXperimental) - Honda компаниясының сутекті отын элементінде қуат алатын күш қондырғылы автомобилі
Проблемаларды шешу үшін жасап шығарушылар электролит ретінде 100% -ды фосфорлы қышқылды қолданды және элемент температурасын 150-200 ºС-қа дейін көтерді. Бұл қатысты сәттілікке әкелді – 1-2% иісті газдан тұратын, тазартылмаған сутекті қолдану мүмкін болды. Қазіргі кезде 5 кВт-тен 200 кВт-қа дейінгі қуаттылығы бар осындай құрылғының бірнеше ұяшықтары жұмыс істейді. Фосфорқышқылды отын элементі сілтілі отын элементіне қарағанда арзанрақ келеді, бірақ соншалықты тиімді емес (бар-жоғы 40-50% ПӘК) және бағасы әлі де өте қымбат – 500 долл/кВт жуық. Жоғарғы температура кезінде жұмыс істеуі оны көшірмелі электрониканың қуат алуы үшін жарамсыз етеді, ал қосу алдында қажетті температураға қыздыру қажеттілігі транспортта қолдануды шектейді.
Бұдан да жоғары температура кезінде (800–1000°С) қатты оксидты электролиты бар отын элементі жұмыс істейді. Бұндай отын элементінде катализатор болмайды, элемент нитрий және цирконий тотықтары қоспаларының жұқа қабатынан – бос жерлерінде оттегі иондарының жоғарғы қозғалыста болатын қатты оксидты электролиттен тұрады; электролиттың екі жағынан да торлар – ток ажыратқыштар орналасады. Анод жағында отын тордың О2– иондарымен реакцияланады, электрондарды ішкі тізбекке бере және реакциялану өнімдерін құрай отырып, құрылған оттекті бос жерлер катодқа қарай электролит қабатымен қозғалады, ал электрондар – сыртқы тізбек бойынша электр тогын құрай отырып қозғалады. Катодта оттек элекрондарды қосады және құрылған О2– иондар катодқа жақын келген оттекті бос жерлерді толтырады. Осындай отын элементі 50%-дан астам ПӘК-пен иеленеді, платиналары болмайды, ал ол үшін отын ретінде сутек қана емес, сондай-ақ табиғи газ, тіпті дизель отыны да қызмет ете алады. Алайда қымбат әрі құрастырымдық материалдарды және көмекші агрегаттардың қолданылуын қажет ететін жоғары температуралы зонаның пайда болуы проблема туғызады. Мұндай отын элементтерінің жұмыс істеу мерзімі әзірше өте ұзақ емес. Ертілген карбонаты бар отын элементтері секілді қатты оксидті электролиті бар отын элементінің көлемі үлкен тұрақты қондырғыларда қолданылуы өте ыңғайлы келеді.
«AlMobile» келешек автомобилінің қозғалысы мен құрылысы осындай болып келеді. Автомобильдің атауы екі сөзден «Al» - «алюминий» және «Mobile» - «қозғалмалы» сөздерінен құрылған. Автомобильдің басты құрамдас бөлігі алюминий қалдықтары болып табылады. Жаңа автомобиль тек қана таза негізде, қоршаған ортаны ластайтын ешбір қоспаларсыз жұмыс істейді.
Алюминий оксидінен басқа автомобиль жұмысынан кейін тек бір ғана қалдық – сірке суы бар фильтрдегі қалдық қана қалады. Ол – натрий ацетаты CH3COONa. Натрий ацетаты – сірке қышқылының натрий тұзы, өндіріс масштабында өндіріледі және қолданылады. Натрий ацетаты тоқыма өнеркәсібінде, ағын суларда пайдаланылған күкірт қышқылын жоюда және фоторезист ретінде анилинді бояуларды қолданғанда қажет. Бұдан басқа натрий ацетаты E262 тағамдық қосымшасы ретінде және консервант ретінде қолданылады[16]. Оны, мысалы, чипстердің құрамында кездестіруге болады.