кандидат физико-математических наук С. М. Комаров
Шаги к сверхлёгкой энергетике

1

В деле создания отечественного топливного элемента российские учёные нашли наконец-то долгожданную поддержку предпринимателей — в Президиуме РАН 10 ноября 2003 года президент РАН. Ю.С. Осипов и генеральный директор ГМК „Норильский никель“ М.Д. Прохоров подписали соглашение о сотрудничестве. В соответствии с ним компания будет выделять до 40 миллионов долларов ежегодно на исследования по водородной энергетике. Спустя месяц, 9 декабря, была подписана комплексная программа исследований. Справедливости ради надо отметить, что эта программа не единственная. Весной прошлого года за аналогичную задачу — создание коммерчески пригодной энергетической установки на топливных элементах — российские учёные взялись всерьез благодаря поддержке Международного научно-технического центра в союзе с Минатомом и „Газпромом“.

10 целей

„Комплексная программа поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам“ предусматривает:
— проведение исследований по расширению направлений промышленного использования палладия и разработку перспективных технологических процессов по изготовлению продукции на его основе;
— создание научно-технического, технологического и конструкторского задела по ключевым устройствам, агрегатам и системам водородной энергетики и топливных элементов (ТЭ) с характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги, в том числе твёрдополимерных, щелочных и твёрдооксидных ТЭ;
— создание топливных процессоров водорода для конверсии углеводородных топлив и получения водорода;
— создание комплексов по производству, очистке, аккумулированию, хранению и транспортировке водорода;
— разработку промышленной технологии изготовления элементной базы и новых материалов для водородной энергетики и автономных энергетических установок с ТЭ различных типов;
— создание унифицированного ряда высокоэффективных экологически чистых энергетических установок и электрохимических генераторов широкого класса на основе ТЭ, мощностью от 1 до 25 кВт;
— создание портативных источников тока на основе ТЭ для использования в бытовой электронной аппаратуре (компьютерах, мобильных телефонах, аудио- и видеоаппаратуре и др.);
— формирование базовой кооперации научных организаций Российской академии наук и промышленных предприятий для производства конкурентоспособных энергетических установок на основе ТЭ и высокотехнологичной продукции на основе использования палладия и металлов платиновой группы;
— подготовку предложений по развитию национальной инфраструктуры водородной энергетики;
— разработку предложений по формированию национальной программы по водородной энергетике и ТЭ, по вариантам и схемам финансирования работ по этой программе с использованием материальных и финансовых ресурсов частного бизнеса.
В пяти разделах программы подробно представлены исследования, которые обеспечат достижение этих целей.
В программе указано, что её будут уточнять и дополнять каждый год в зависимости от выполнения отдельных проектов.

„Водородной энергетикой у нас в России занимаются довольно давно, с середины шестидесятых годов, если не считать идеи, которые выдвигались в девятнадцатом веке, — говорит руководитель программы вице-президент РАН. Г. А.Месяц. — Причина в том, что она имеет огромное значение для космоса и подводного флота. За месяц, прошедший с подписания соглашения, мы побывали более чем в десяти организациях, провели три семинара, за Уралом, в Санкт-Петербурге и в Москве. Оказалось, что институты, которые ранее занимались этими проблемами, сохранили очень многие направления и продолжают работы по соответствующим темам. Важную роль тут сыграла поддержка МНТЦ, общий объём которой составил 35 миллионов долларов. Другим источником финансирования было сотрудничество с зарубежными компаниями. Но именно поддержка от „Норильского никеля“ означает, что наконец-то наши учёные смогут работать на интересы отечественной экономики. У нас есть реальная возможность сделать хорошую работу и перегнать развитые страны, не догоняя их. Несомненно, наша страна сильно отстала в области традиционных технологий. Однако эти технологии, несмотря на колоссальные вложения, не позволили создать надёжный, дешёвый топливный элемент с большим сроком службы. А технологии будущего, которые основаны на наших фундаментальных исследованиях, способны решить эти задачи. Участие Академии наук должно быть тщательно продумано — чтобы не вышло так, что сегодня мы возьмём деньги, а завтра ничего не отдадим. В сущности, это пилотный эксперимент по новой организации отраслевой науки с использованием фундаментальных результатов“.

Очередной всплеск интереса к водородной энергетике, видимо, связан с осознанием неотступно надвигающегося глобального энергетическогр кризиса, который вызван исчерпанием природного топлива. Водород вполне способен заменить и нефть, и газ или существенно сократить их потребление, ведь даже если добывать его сжиганием природного топлива, всё равно последнего потребуется меньше, поскольку КПД водородных энергетических установок очень высок. Кроме того, водород можно добывать из биогаза или из продуктов переработки бытовых отходов. Оптимальный же способ — электролиз воды с помощью электроэнергии, добытой на солнечных или ветряных электростанциях. Ведь солнце светит только днём, да и не всегда достаточно ярко, а ветер дует не всегда достаточно сильно. Если превращать электричество в водород в момент пика выработки, потом можно будет проводить обратный процесс с помощью топливного элемента. Как утверждает академик Ж.И. Алфёров, возможности современных гетероструктур делают солнечную энергетику вполне реальной не только в тропических широтах.

В грядущем мире водородной энергетики, который, как считают оптимисты, возникнет в ближайшие двадцать лет, по улицам будут ездить бесшумные автомобили. Их энергетические установки станут выбрасывать в окружающую среду водяной пар, в крайнем случае — с примесью углекислого газа. Линии электропередач и теплосети почти исчезнут — их заменят газопроводы. В каждом доме будет стоять свой топливный элемент, напрямую преобразующий природный газ в электричество с выделением всё тех же воды и СО2. Помимо электричества, он будет снабжать жильцов теплом и горячей водой. С учётом высокого КПД подобных установок, а также из-за отсутствия потерь на нагрев электропроводов и отопление Галактики получается колоссальная экономия энергоресурсов.

Среди совсем уж фантастических проектов следует обратить внимание на американскую идею: не мелочиться и полностью отказаться от углеводородного сырья. Для этого придётся опутать всю страну системой трубопроводов, по которым станет циркулировать жидкий водород. Энергию для поддержания газа в жидком состоянии предполагается добывать, сжигая водород же, а стенки трубопроводов из-за низкой температуры окажутся ещё и сверхпроводящими и смогут служить в качестве кабелей электропередач! Что касается водорода, то, как считают некоторые геологи, он в огромном количестве выделяется из недр земли в рифтовых зонах, где кора планеты испытывает растяжение, и этот источник, по сути, неисчерпаем (см. „Химию и жизнь“, 2000, № 10).

А ключевое устройство всей водородной энергетики — топливный элемент, в котором водород, соединяясь с кислородом, превращается в воду; высвободившаяся при этом энергия напрямую становится электроэнергией. Именно отсутствие всевозможных движущихся частей и передаточных звеньев и обеспечивает топливному элементу очень высокую эффективность — его КПД превышает 50%, а в лучших образцах достигает 75%.

2

Если у нас есть инфраструктура добычи водорода и снабжения им, то большого разнообразия конструкций топливных элементов не будет. Однако история с этой инфраструктурой напоминает проблему курицы и яйца чтобы развивать её в условиях капиталистической экономики (где цель производства, как известно, — получение наиболее высокой прибыли, а не удовлетворение каких-то жизненно важных потребностей вроде охраны окружающей среды), должны быть потребители водорода. А они появятся только после того, как будет создано бесперебойное снабжение, иначе на водородном автомобиле далеко не уедешь. Поэтому если где-то и создают системы водородозаправок (например, в тех десяти европейских городах, которые с этого года участвуют в эксперименте по применению водородных автобусов), то делают это городские власти, выделяя средства по затратному механизму, без надежды обеспечить проекту самофинансирование. Зато с надеждой прославиться в качестве защитников окружающей среды.

Вот почему идеологи самоокупаемой водородной энергетики на первых порах хотят воспользоваться имеющейся системой распределения топлива, а именно газопроводами и бензозаправками. Ничего удивительного в такой идее нет: и природный газ, и бензин — это углеводороды. Значит, можно попытаться отщепить водород от углеродного скелета непосредственно перед входом в топливный элемент. И как это делать — тоже известно: надо нагреть топливо, а потом осуществить каталитическое парциальное окисление или пароводяную конверсию. Например, превратить топливо в синтез-газ, то есть смесь водорода с угарным газом Потом тем или иным способ дожечь ядовитый угарный газ до безвредного углекислого — и можно подавать смесь на водородный электрод топливного элемента. Получается эдакий небольшой химический заводик-процессор (его ещё называют конвертер или риформер), смонтированный прямо „на борту“ топливного элемента. Наличие этого заводика и порождает два принципиально разных типа конструкции — высокотемпературный и низкотемпературный.

Если смесь газов, которые выходят из процессора, не охлаждать, её температура составит около 800°С, то есть наряду с электричеством элемент даёт ещё и немало тепла. Вариант без охлаждения хорош ещё и тем, что сам процессор становится более простым: при столь высокой температуре топливный элемент с удовольствием будет использовать и угарный газ как топливо. Однако элементы блока, генерирующего электричество, могут оказаться слишком нежными, чтобы выдержать такой нагрев. В этом случае внутри процессора придётся проводить как выделяющие тепло реакции, так и те, что его поглощают, а с помощью системы трубопроводиков-теплообменников компенсировать оба процесса. Сам топливный элемент в этом случае работает при температуре 80°С, и безопасность получается значительно выше — всё-таки собирающаяся закипеть вода — это не то, что расплавленный свинец.

3

Помимо температуры газовой смеси, в разнообразие конструкций водородных топливных элементов вносит свой вклад и состав электролита. Чтобы понять, какие тут возможны варианты, рассмотрим, как, собственно, в элементе добывают электричество.

Молекула водорода из потока газа подходит к водородному электроду, адсорбируется на нём и распадается на два атома. Водород, будучи типичным восстановителем, весьма охотно отдаёт электрон, его атомы быстро превращаются в протоны и оказываются внутри материала электрода, где они, мельчайшие ионы, легко перемещаются. Если есть провод, который соединяет водородный электрод с кислородным, то электрон пойдёт по нему туда, где его уже ждёт адсорбировавшийся по тому же механизму атом кислорода.

Увы, процесс этот не может идти бесконечно долго. Протоны, накапливаясь на водородном электроде, равно как и ионы кислорода, оказавшиеся на кислородном, создают соответственно положительный и отрицательный заряды. Иначе говоря, поляризуют электроды. В результате электроны, подчиняясь выраженной в законе Кулона склонности отталкиваться от зарядов своего знака и притягиваться к противоположным, перестают течь по цепи. Чтобы решить проблему, в дело вступает электролит — своего рода прокладка между электродами, по которой могут перемещаться либо протоны, либо ионы кислорода в той или иной форме. А переместившись и встретившись на соответствующем электроде, они вступают в реакцию, образуя молекулу воды, которая покидает топливный элемент. Энергия молекулы воды меньше, чем у смеси атомов водорода с кислородом. Эта-то разница и оказывается в конечном счете источником электроэнергии.

Из этого краткого описания становится понятным, что сам по себе генерирующий электричество элемент — весьма сложное устройство, которое даёт широкий простор для фантазии материаловеда. В нём есть три основных компонента — электроды, электролит и токосъёмник, то есть пластинка, плотно прилегающая к электроду, с тем чтобы забрать все электроны, выходящие с его поверхности, и доставить их к месту назначения. Сквозь токосъёмник нужно обеспечить, во-первых, доступ газов — водорода и кислорода — к электроду, а во-вторых, удаление воды. На электроде требуется быстро проводить реакцию распада молекул газов на атомы и ионы, причём так, чтобы потоки заряженных частиц были большими. Ну а электролит должен хорошо проводить ионы и при этом не менять свои свойства с течением времени.

Вот как устроен один из наиболее перспективных низкотемпературных топливных элементов — с твёрдым полимерным электролитом, точнее, не сам элемент, а его мембран-электродный блок. В основе конструкции находится проводящая протоны мембрана. Она не только служит электролитом, но и не даёт смешиваться обоим газам — кислороду и водороду, то есть обеспечивает защиту от случайного взрыва (как-никак, дело приходится иметь с потенциальной гремучей смесью). На мембрану с обеих сторон наносят электрокатализатор, например платинированную сажу. Это пористый материал с полимерным связующим, в котором находятся частицы катализатора. Поскольку на кислородном электроде порой образуется перекись, а также имеются свободные кислородные радикалы, химическая стойкость мембраны должна быть очень высокой. Пока что учёные не смогли придумать ничего лучше фторопластов. Попытки применить мембраны из углеводородов не увенчались успехом — любая группа CH2 в таком материале быстро окисляется. А проводимость протонов обеспечивают распределённые во фторопласте сульфогруппы Чтобы мембрана стала проводить ионный ток, она должна набухнуть в воде. При этом получается что-то вроде твёрдого раствора серной кислоты, который работает примерно так же, как в аккумуляторе автомобиля.

Для подвода реагентов и съёма тока, на катализатор накладывают пористые газодиффузионные слои. Как правило, это композит, для получения которого на углеткань напрессовывают сажу с фторопластом, добавляют порообразователь и нагревают. Углерод, как проводящий материал, позволяет снимать ток, а фторопласт нужен для усиления гидрофобности, ведь именно сквозь газодиффузионный слой вода постоянно выходит из зоны реакции. Вообще-то углерод и сам по себе плохо смачивается, но, оказывается, в процессе работы на его поверхности образуются ОН-, СО- и СООН-группы, которые с водой взаимодействуют. А вот смешанная поверхность из наночастиц углерода и фторопласта держится достаточно долго.

Грамотное отведение воды — очень важная задача для такого элемента, если режим не оптимален, она либо зальёт катализатор, либо мембрана высохнет. Получается, что для каждой температуры в воздухе, поток которого обвевает кислородный электрод, нужно иметь своё парциальное давление паров воды. Это обеспечивает специальное устройство-увлажнитель — его температура и определяет парциальное давление водяного пара, а к нему прилагаются всевозможные датчики. Дополнительные трудности создаёт размах колебаний температуры в нашей стране — от +50 до –50°С. Если в положительной области работать не так уж трудно, то в отрицательной отнюдь не все проблемы решены. Главная из них — как полностью удалить воду из неработающего элемента: если она осталась в порах, то при замерзании вся изящная конструкция мембран-электродного блока разрушится.

Последний до сих пор не названный элемент генерирующего блока — биполярная пластинка. Дело в том, что у всех электрохимических источников тока напряжение невелико, менее одного вольта. Поэтому отдельные ячейки приходится собирать в сборки, где биполярные пластинки отделяют одну ячейку от другой. Эти пластинки тоже лучше всего делать из графита: металл тяжеловат и склонен к коррозии. А какой-нибудь ион железа со своим зарядом 3+, попав на сульфогруппу, заблокирует перемещение протонов через мембрану. В этих пластинках проделаны борозды: по ним и проходят потоки газов. Водород и кислород из потоков проникают в поры токосъёмников и далее следуют к катализатору, а молекулы воды, наоборот, насыщают сухой поток воздуха, который продувают у кислородного электрода, и с ним покидают элемент.

Толщина мембраны — 100–150 мкм, хотя химики имеют твёрдое намерение сделать материал толщиной 30–50 мкм. (Это сулит немалые преимущества, при работе элемента протоны увлекают с собой к кислородному электроду молекулы воды, и мембрана у водородного электрода высыхает. А на расстояние 30–50 мкм как раз успевает продиффундировать та вода, что образовалась на кислородном электроде. Получается саморегулирующаяся система). Толщина электрокатализаторов — по 10 мкм. Токосъёмники, они же диффузионные слои, которые ещё и прочность системе обеспечивают — по полмиллиметра. Наконец, биполярная пластинка — 4 мм. В результате единичная электрогенерирующая ячейка элемента с твёрдополимерным электролитом оказывается чуть толще 5 мм.

Ток элемента определяется площадью мембраны в каждой ячейке, лист формата А4 дает 300 ампер. К сожалению для электрохимиков, такой ток никому не нужен, требуется большое напряжение. Поэтому приходится объединять ячейки в сборки. Обычно, в зависимости от цели, в элементе собирают несколько десятков или сотен ячеек. Например, для троллейбуса нужно напряжение 300 Вольт. При этом приходится учитывать, что чем больше ячеек в сборке, тем выше вероятность отказа.

4


Топливный элемент „Волна“ для лунной экспедиции
Исторически сложилось так, что первые топливные элементы, которые удалось применить в техническом устройстве, сделали с жидким щелочным электролитом, и они прекрасно проявили себя во времена активного освоения космоса. Первое производство таких топливных элементов в СССР освоили специалисты Уральского электрохимического комбината. Эту работу они начали в 1966 году на базе производства металлокерамических фильтров для диффузионного разделения элементов, а уже спустя два года получили заказ на создание элементов питания для лунной экспедиции. В 1971 году появился первый отечественный топливный элемент „Волна“. Он был способен работать в течение 1000 часов, выдавал один киловатт мощности при напряжении 27 вольт, а весил 60 килограмм. Следующий щелочной элемент, на сей раз для „Бурана“, начали разрабатывать в 1978 году. Через десять лет появился элемент по имени „Фотон“ с ресурсом 2000 часов, мощностью 10 кВт, весом 145 кг. Этого ресурса должно было хватить на десять недельных полетов советского космического челнока. Сейчас по заказу „АвтоВАЗа“ на комбинате модернизируют „Фотон“, чтобы его можно было использовать в легковом автомобиле. Если поначалу ему требовалось два бака, с водородом и кислородом, то в 2002 году экспериментальная „Лада“ уже использовала кислород воздуха. Работают такие элементы и на космических кораблях, например на спутнике „Ямал“.


Топливный элемент „Фотон“ для „Бурана“
Слабое место щелочного электролита в том, что щёлочь взаимодействует с углекислым газом и образуются нерастворимые в щелочной среде карбонаты. В космосе, где нет атмосферы и в элемент оба газа попадают в чистом виде, этой проблемы нет. А вот на Земле углекислый газ есть везде и прежде всего в питающем кислородный электрод воздухе. Если же ещё и на водородный электрод подавать смесь газов из топливного процессора (а там углекислого газа очень много, почти четверть), то щелочной элемент оказывается в очень тяжёлых условиях, которые неизбежно снижают его ресурс. Кроме того, беда всех жидких электролитов, и щелочных, и кислотных, — вода, что образуется как на внешней, так и на внутренней поверхности кислородного электрода, она неизбежно разбавляет электролит.


Водородная энергетическая установка сейчас занимает весь багажник „Лады“
Обоих недостатков лишён твёрдый полимер, он же протонообменная мембрана. Топливные элементы с ним считаются самыми перспективными, надёжными и потенциально самыми дешёвыми. „Мембраны разрабатывают наши коллеги из бывшего НПО „Пластполимер“, а мы делаем мембранно-электродные блоки, — рассказывает один из ведущих учёных, В.Н. Фатеев, который возглавляет работы по созданию твёрдополимерных элементов в Институте водородной энергетики РНЦ „Курчатовский институт“ — Есть надежда, что наш элемент будет существенно дешевле, чем те, которые предлагают зарубежные коллеги, ведь число миллионов рублей, отпущенных на эти работы, было значительно меньше, чем у них миллионов долларов. Более того, работы в основном пришлись на период перестройки, когда с деньгами был просто кошмар, а научный сотрудник зарабатывал всего несколько долларов в месяц. Безденежье порой заставляет лучше работать серое вещество головного мозга, и кое-где мы нашли оригинальные решения и по составу мембран, и по технологии изготовления катализатора или диффузионных слоёв“.


Экспериментальный топливный элемент Курчатовского института на протонопроводящей мембране
Вот, например, как выглядит метод синтеза электрокатализатора, предложенный учёными Курчатовского института. Когда этот слой наносят на мембрану, нужно обеспечить не только плотное сцепление, но также оптимальное число частиц катализатора на единицу площади и определённую пористость. Чтобы её создать, учёные готовят суспензию на основе воды, в которую добавлен изопропиловый спирт. При сушке его можно заставить резко вскипеть, и тогда пористость будет колоссальной, а прочность — низкой. А можно выпаривать неделями и получить монолит. Посередине находится оптимальный режим. Структура пор немаловажна, глубокие пещеры, которыми изрыт активированный уголь, здесь совершенно не нужны. Из таких пор невозможно удалить воду, и катализатор быстро выходит из строя, капли воды перекрывают доступ газов к нему. Оптимум — множество ямок на поверхности слоя.

Коль скоро свойства так чувствительны к структуре, возникает вопрос а насколько устойчив метод при изменениях сырья? „Мы изучали это, — отвечает В.Н. Фатеев — Действительно, технические условия на углерод очень широки, и специфику нашей работы они не учитывают. Это не случайно — ведь никто не будет делать для нас специальную продукцию, мы за год потребляем два мешка сажи, каждый стоимостью всего-то в пятьсот рублей. Поэтому для каждого нового мешка приходится корректировать технологию. Однако мы точно знаем, какие параметры, а именно размер частиц, удельная поверхность, внутренняя пористость, нам нужны. Скорее всего, если производство топливных элементов станет массовым, изготовители углеродных материалов перейдут на более строгие технические условия, которые будут удовлетворять нашим запросам“.

„Чистая“ энергетическая установка на стенде. Все эти трубопроводы и дополнительные устройства, которые нужны, чтобы расположенная в центра элементарная топливная ячейка исправно работала, желательно упаковать в корпус автомобильного аккумулятора.

5

Высокотемпературный топливный элемент назван так не случайно — при комнатной температуре материал его электролита никакие ионы не проводит, он оказывается типичным изолятором. Способность к проводимости у него возникает при нагреве до высокой температуры, за 800°С. То есть прежде чем элемент начнёт выдавать энергию, нужно довольно долго сжигать топливо и тратить энергию на нагрев. Для автомобиля такой элемент не подходит, а вот для генерации электричества и тепла в отдельно стоящем коттедже — вполне. Если низкотемпературные топливные элементы уже используются довольно широко сейчас их суммарная мощность приближается к 50 МВт, то высокотемпературные находятся скорее в стадии разработки, чем в эксплуатации. Это и неудивительно в них используют хрупкие керамические материалы, с которыми при нагреве и охлаждении приходится обращаться очень бережно, чтобы тепловое расширение не стало причиной трещин.

В области высоких температур снова возможны две концепции электролит в виде твёрдого оксида или жидкого расплава карбонатов. В качестве первого наиболее хорошо проводит ионы ВаСеО3, но из-за его низкой химической стойкости самым перспективным считают соединение на основе оксида циркония, в который добавлены щёлочно- и редкоземельные металлы. Его проводимость в десять раз ниже, чем у соединения бария-церия, поэтому перед материаловедами стоит серьёзная задача как её повысить. Один из способов — изменить качество сырья. Например, как показывают исследования физиков из снежинского ВНИИТФ им академика Е.И. Забабахина, если сделать нанопорошок керамики лазерным испарением, а потом скомпактировать его в изделие магнитно-импульсным методом, то плотность электрической мощности при нагреве до 800°С вырастет на 30% по сравнению с керамикой из микрочастиц, полученных химическим методом. Через твёрдый оксид могут перемещаться ионы кислорода, именно поэтому угарный газ ему не страшен, соединившись с ионом на водородном электроде, он ставнет углекислым газом.

Есть два способа добыть электричество из твёрдооксидного элемента. Первый, основанный на трубчатой конструкции, разрабатывают опять-таки в Снежинске. Такой элемент состоит из множества модулей, каждый из них представляет собой несущую пробирку диаметром в десяток миллиметров, а длиной в четверть метра. Её можно сделать из материала электролита — оксида циркония на который нанесены электроды водородный, из никеля с оксидом циркония, и кислородный, из манганита лантана-стронция (La0,85Sr0,l5MnO3). Пробирка заполнена пористым токосъёмником, в котором проходит металлическая трубочка. По ней в элемент поступает синтез-газ и отводится электрический ток. Можно сделать пробирку и из материала катода. Тогда на её внешнюю сторону наносят электролит толщиной в 20–30 мкм, и далее следует анодный слой. Подобная пробирка при плотности мощности 550 мВт/см2 и 950°С способна выдавать напряжение 0,55 В и обеспечивать мощность 13 Вт, причём эти характеристики не меняются за те полтысячи часов испытаний, на которые учёным хватило финансирования.

Альтернативная идея — плоский топливный элемент. В этом случае несущей основой служит либо полумиллиметровая пластинка из того же электролита, на которую нанесены микронные слои пористых катода и анода из упомянутых выше материалов, либо несущей оказывается анодная пластинка толщиной в миллиметр со слоями электролита и катода. Такие пластинки диаметром до 60 мм из никеля/оксида циркония с контролируемой пористостью и проводимостью умеют делать, например в обнинском ФЭИ им А.И. Лейпунского. „Планарная конструкция более технологична и компактна, чем трубчатая, — говорит один из авторов исследования Н.И. Храмушин —. Используя её, можно достичь более высокой плотности электрической мощности на единицу поверхности и существенно уменьшить потери электричества и тепла. Так, нам удалось получить наибольшую плотность мощности в 700 мВт/см2 при 950°С. В результате энергетические установки на таких элементах будут стоить дешевле трубчатых — при массовом производстве стоимость одного киловатта установочной мощности может снизиться до 400 долларов. Хотя нельзя отрицать, что успехи в деле создания трубчатых элементов несомненны“.

Главная проблема у твёрдооксидных элементов — значительные потери в элементах токосъёма и при коммутации элементов в батарее. Всё-таки работать приходится при высокой температуре, а сопротивление проводников с её ростом быстро увеличивается. Сильно мешает и выделение углерода на электродах, да и сами электроды оказываются не очень стабильными. Кроме того, как утверждают учёные из екатеринбургского Института высокотемпературной электрохимии, сейчас нет коммерчески доступной технологии нанесения тонких плёнок на пористые подложки.

Жидким электролитом при высокой температуре служит расплав карбонатов лития-натрия с добавками бария и калия. В таком элементе возникают все те же проблемы, что и у щелочного или кислотного: электроды корродируют, жидкость норовит вытечь и испариться. Значит, при изготовлении неизбежны трудоёмкие операции пайки, а во время эксплуатации — заливки нового электролита. В то же время расчёты показывают если всё сделать хорошо, то ресурс элемента может составить 20 тысяч часов, а плотность мощности — 150 мВт/см2 при температуре 600–850°С. Типичный элемент на расплаве карбонатов составлен из плоских ячеек, однако учёные из ВНИИЭФа предлагают сделать конструкцию с трубчатыми электродами. По их мнению, сам по себе такой подход решит большую часть материаловедческих задач, которые сдерживают широкое внедрение таких элементов. В частности, удастся существенно упростить конструкцию, обеспечить лёгкую герметизацию и долив электролита. В результате останется только решить задачи, связанные со стабильностью пористой структуры электродов во время работы элемента. „Мы готовы в короткие сроки создать коммерчески пригодный трубчатый элемент мощностью в несколько киловатт“, — утверждает А.В. Анисин из ВНИИЭФ.

6

„У нас есть небывалая возможность, — говорит В.К. Емельянов, координатор целевой инициативы МНТЦ по топливным элементам. — Не исключено, что Россия будет первой страной, которая коммерциализует топливные элементы. Причина в наших огромных пространствах и мощной газовой промышленности. Гигантские трубопроводы идут через безлюдные просторы Сибири где нет централизованного энергоснабжения. А ведь чуть ли не на каждом километре газопровода должна стоять небольшая электростанция, которая питает контрольные приборы и, что важнее, размагничивает газопровод, чтобы по нему не тёк ток, вызванный полем Земли. В противном случае труба быстро гниёт — идёт электрохимическая коррозия. Сейчас там стоят дизельные станции. Им нужно подвозить топливо, а выхлоп и шум наносят вред окружающей среде. Бесшумный топливный элемент с чистым выхлопом, который к тому же работает от прокачиваемого по трубе газа, — идеальная замена. Расчёт показывает, что даже при цене в несколько тысяч долларов за киловатт установочной мощности такой электрогенератор оказывается конкурентоспособным. Мы решили продолжая работу, которую МНТЦ ведёт с начала 90-х годов, разработать основные узлы такой установки, в частности процессор, превращающий природный газ в водород. А на сам топливный элемент, скорее всего, объявим тендер. Так можно быстрее выйти на создание коммерчески пригодной энергетической установки“.

„До сих пор считалось, что для таких установок лучше подходят высокотемпературные элементы. Но я почти уверен, что победит твёрдополимерный, — вторит ему В.Н. Фатеев. — В серийном устройстве должен стоять надёжный, проверенный элемент, а именно полимерные элементы хорошо опробованы. Конечно, у них КПД поменьше, но какой смысл говорить о нём? Разница между 55 и 70% выглядит совсем небольшой после того, как выясняется, что один киловатт мощности стоит три-пять тысяч долларов. И ведь через год непрерывной работы элемент надо будет менять — никто не гарантирует ресурс более десяти тысяч часов“.

Правда, у отдельных элементов бывает и хороший ресурс. Так, небольшие сборки порой работают по 30–40 тысяч часов, а единичные ячейки и вообще 50 тысяч. Поэтому шанс дотянуть ресурс до нескольких лет имеется. Три года — уже вполне хватает для автомобиля. Если налажена утилизация элементов, то этот срок подойдёт и для стационарных установок.

С ценой же проблема серьёзнее. Сами по себе материалы стоят не так уж дорого, а вот технологии производства и необходимое оборудование сильно увеличивают затраты. Ту же платину, углерод и фторопласт для токосъёмников и электрокатализаторов нужно делать в виде наночастиц с узким распределением по размерам. Весьма сложно получается и мембрана. Фторопласт для неё нельзя использовать напрямую. Нужно вначале его деструктировать, получить фтор и синтезировать по новой. Значит, затраты на исходный полимер пошли впустую. Присутствие чистого фтора требует дорогого оборудования. „По-хорошему нужно бы восстановить производство мембран на основе фторопластов, которое было в СССР, — считает В.Н. Фатеев. — Тогда в одном месте делали мономер, в другом полимер, в третьем мембрану. Часть производства оказалась на Украине, и там оно было полностью разрушено. Однако все технологии у нас есть. К сожалению, так, как принято сейчас — сегодня вложили рубль, а завтра вернули два, — не получится. Конечно, при большом производстве возможно достичь коммерчески приемлемой стоимости элемента в 100 долларов за киловатт. Но это дело небыстрое. Даже если, как утверждают оптимисты, коммерциализация наступит в 2010 году, она будет искусственной. Скажем, примут закон о том, что половина автомобилей должны иметь нулевой выброс по токсичности. Это возможно только с использованием топливного элемента. А дальше тот, кто купит такую машину, получит дотацию, или льготный кредит, или что-то ещё. Вот, например, фосфорнокислые элементы. Они уже устарели морально, работают при промежуточной температуре, поэтому их и греть долго, и природный газ конвертировать сложнее. Американская компания, которая ими торгует, имела субсидии от государства, поскольку в эти элементы были вложены большие государственные деньги. Элементы продавали по заниженной цене, и теперь на них работает несколько мегаваттных электростанций. И эти люди отнюдь не ушли с рынка после появления более совершенных устройств — есть реклама, уже проданный товар нужно ремонтировать, тот, кто купил один элемент, захочет купить другой. Это может служить хорошим примером того, как при доброй воле государства можно организовать рынок даже дорогой, но нужной продукции“.

Снежинский прорыв


Так выглядит первая отечественная установка с твёрдооксидным элементом.
10 декабря 2003 года в снежинском ВНИИТФ им академика Е.И. Забабахина успешно прошли испытания установки на твёрдооксидном электролите Главная её особенность в том, что водород получается из природного газа а кислород — из воздуха. Это первая установка такого рода, все узлы которой — нагнетатель воздуха, риформер и топливный элемент — сделаны в России на предприятиях Минатома. Так успешно завершились почти десятилетние усилия учёных Минатома по созданию топливного элемента на твёрдом оксиде. Участники испытаний неоднократно отмечали, что этот результат стал возможен благодаря МНТЦ: он оказал финансовую поддержку проектов, которые позволили решить ключевые технические проблемы.

„Пока что учёные сделали лабораторную установку. Она проработала несколько дней, после чего её выключили, — говорит Виктор Емельянов, координатор целевой инициативы МНТЦ по созданию топливных элементов. — Однако главная цель достигнута — теперь ясно, конструкцию каких узлов и как следует изменить. Что же касается ресурса, то предварительные эксперименты на отдельных топливных ячейках показали он будет очень неплохим — 50 тысяч часов. Про цену сейчас говорить рано однако есть надежда, что она окажется вполне приемлемой. Без преувеличений можно сказать, что это событие по своему значению сходно со сборкой первого автомобиля. Мощность экспериментальной установки — 1кВт. Это даёт нам уверенность, что стоящая перед участниками проекта МНТЦ задача, — создать установку мощностью 2,5 кВт, будет успешно решена“.

Сахарный элемент

Чистый водород хранить сложно, метан в жидком виде — просто опасно. Чем же предполагается питать топливный элемент для компьютера? Базовая идея — ампулы с метанолом. При небольшом нагреве на катализаторе этот простейший спирт превращается в углекислый газ и водород. К сожалению, метанол не только ядовит, но и летуч, в выхлопе такого элемента он всегда будет присутствовать. Да и хранить дома ядовитые ампулы как-то не хочется. Однако следующий спирт, этанол, уже содержит в своей молекуле цепочку из двух атомов углерода и для топливного элемента не годится — связь атомов углерода между собой разорвать значительно труднее, чем углерод-водородную.

А что, если воспользоваться анаэробными бактериями, подумали учёные из лаборатории экологии и технологии микробов Гентского университета в Бельгии („AlphaGalileo“, 14 ноября 2003)? Они же получают энергию в конечном счёте именно за счёт того, что отщепляют электроны от атома водорода, а потом окисляют его тем или иным способом. Значит, возникает такая схема: отобрать у бактерии электрон, направить его в сеть, а ион водорода через электролит переслать на кислородный электрод и там окислить. В результате, должна возникнуть разность потенциалов в 1,15 В, однако до сих пор выйти на это значение никому не удавалось. Вот бельгийцы и решили оптимизировать микробное сообщество. Они много раз пересаживали колонии бактерий из одного топливного элемента в другой, отбирая лучшие экземпляры и в конце концов сумели добиться мощности в 450 мВт/см2, Это всего в два раза меньше, чем у твёрдооксидных элементов.

Топливом в таком элементе служит питание для бактерий, а именно раствор глюкозы. Сейчас бельгийские биологи изучают поведение своих бактерий при разных скоростях подачи питательного сиропа. И если их опыты окажутся удачными, то есть, скажем, за год работы бактерии в батарейке персонального компьютера или сотового телефона не вымрут и не выродятся, то скоро в каком-нибудь баре можно будет услышать фразу. „Чашечку кофе мне и кусочек сахара для моего компьютера“.

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Рывок в водородное будущее.  Е. Глебова.
Залей метанол в телефон.  А. М. Крайцберг.
Палладий.  В. В. Благутина.
Твёрдые оксидные электролиты.  А. Дёмин.
Твёрдые полимерные электролиты.  А. М. Тимонов.
Размышления о некоторых проблемах энергетики.  А. Е. Шейндлин.
Будет ли переворот в энергетике?  Г. Николаев.




2003 Copyright © Peterlife.ru и компания Мобильная Версия v.2015 Новости Санкт-Петербурга. Женский интернет. Весёлый офис. Мужской клуб. Знакомства. Энциклопедии и справочники. Интересные статьи. Фирмы и организации России, бизнес новости компаний. Анонсы, пресс-релизы. Скидки, бонусы. Сотрудничество. Карьера, вакансии, работа. Рекламные услуги. Магазины. | Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. | Партнёрская программа для магазинов и вебмастеров. | Купить скрипты Nevius. | PR Продвижение сайтов. | Купить хостинг Санкт-Петербурге.
  Яндекс цитирования Яндекс.Метрика