Автор: О. В. БАЗАНОВА

Двигатели на водороде были разработаны еще в 80-е годы XX в. А сейчас во многих ах Европы, в США и Японии реализуются научные программы по водородной энергетике: ходят автобусы на новом топливе, а в Исландии - даже катера, автомобили, используют его и для обогрева домов. Причины перехода зарубежных государств на подобные источники питания - отсутствие или недостаток собственного органического сырья, стремление решить экологические проблемы. А как обстоит с этим дело в России? С таким вопросом корреспондент газеты "Наука Урала" Е. Понизовкина обратилась к координатору программы "Водородная энергетика и топливные элементы" Уральского отделения РАН, члену-корреспонденту РАН Ю. А. Котову.

Угля в нашей стране много, нефть есть, но добывается с больших глубин, следовательно, цена ее постепенно возрастает. Да и от вредных выбросов наших промышленных центров страдает все живое. Поэтому перед отечественными исследователями стоит задача поиска новых видов энергии. Причем для этого у нас есть и значительный теоретический задел, и специалисты, способные его развить, а затем реализовать. Например, уральские ученые создали высокотемпературные топливные элементы, выгодно отличающиеся от низкотемпературных (щелочных и полимерных) очень высоким КПД, экологической чистотой, неприхотливостью и "всеядностью" - работают на продуктах газификации угля, древесных отходах, природном биогазе и т.п.

Именно на подобных источниках питания базируется автономное производство электроэнергии - безотходное и, соответственно, экологически чистое, ибо дает ее столько, сколько нужно потребителю. К тому же оно позволяет обойтись без потерь, неизбежных при тысячекилометровых линиях электропередачи, идущих от больших электростанций, не гарантированных, к сожалению, от аварий, чреватых перебоями подачи в крупные города тепла и света. Наконец, локальное энергоснабжение удобно для удаленных районов и мелких населенных пунктов.

стр. 10

Однако при множестве преимуществ соответствующие установки на водороде имеют существенный недостаток - чрезвычайно высокую стоимость. Снизить ее не менее чем в 10 раз и должны российские ученые в рамках программы "Водородная энергетика и топливные элементы"*. Активную работу в данном направлении ведут специалисты трех институтов УрО РАН - электрофизики (головная организация), химии твердого тела и высокотемпературной электрохимии. В последнем более 50 лет занимаются созданием топливных элементов, так что имеют в данной области солидный задел. Сейчас здесь разрабатывают всю гамму электрохимических устройств: от электролизеров и конвертеров для производства водорода до топливных элементов для получения электроэнергии и тепла.

Поясним: в высокотемпературных электролизерах внешний ток используется для разложения паров воды на водород и кислород. Эту реакцию можно применять на практике, например, направляя в данные устройства "избыток" электроэнергии, образующийся при снижении ее расхода в ночные часы. В результате выделяется чистый водород (его собирают в специальные емкости) - питание для топливных элементов, вырабатывающих дополнительную энергию в дневное время, в том числе для снижения так называемых пиковых нагрузок. А в твердооксидных конвертерах его получают электрохимической конверсией горючих газов - более эффективным путем, чем вышеизложенный, да и чистота конечного продукта оказывается выше.

Специалисты же, занимающиеся топливными элементами, стремятся усовершенствовать их конструкцию для удешевления, уменьшить температуру электрохимического процесса и тем повысить время бесперебойной работы и снизить себестоимость производимой электроэнергии. Схема работы данного источника питания сводится к следующему. К мембране из твердого оксидного электролита непрерывно подводится с одной стороны топливо - водород, с другой - кислород. При этом первый окисляется, ионы второго проносятся через мембрану, а во внешней цепи движутся электроны - вырабатывается электроэнергия.

КПД таких устройств очень высок, однако чтобы реализовать идею, надо решить много задач, в частности создать их оптимальную конструкцию. К примеру, в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН предложили трубчатый электролит из термостойкой керамики: топливо будет подаваться внутрь трубки, а снаружи - кислород. Ученые стремятся сделать ее стенки как можно тоньше, чтобы снизить рабочую температуру и соответственно повысить ресурс самого устройства.

Использовать в топливном элементе наиболее распространенный вид топлива - природный газ - затруднительно по многим причинам. Поэтому требуется его преобразование (риформинг) в синтез-газ - смесь оксида углерода и водорода. Специалисты Института химии твердого тела УрО РАН считают: наиболее перспективно осуществлять этот процесс в электрокаталитическом реакторе мембранного типа. Основной его элемент - газоплотная керамическая мембрана со смешанной (кислород-ионной и электронной) проводимостью. На нее наносят катализатор, интегрирующий выделение кислорода из воздуха и собственно окисление в единый самоподдерживающийся процесс. Условия его протекания довольно жесткие, что диктует соответствующие требования к используемым материалам. Разработки в данной области пока на уровне лабораторных экспериментов, но их результаты обнадеживают.

Оптимальный электролит для топливного элемента - пленка из нанопорошка. Его созданием занимаются специалисты Института электрофизики УрО РАН. Дело в том, что толщина используемого сейчас электролита 0,3 - 0,4 мм, поэтому все устройство работает при температуре 900 - 1050. Переход же к пленкам до 10 мкм позволит снизить ее до 800, следовательно, повысится ресурс материалов и станет возможным использование более дешевых. А это, в свою очередь, поднимет удельную мощность и снизит стоимость установки. Способов создания таких покрытий из нанопорошков несколько: изготовленную из него суспензию наносят на подложку электрода или прокатывают, получая тонкую пленку, которую затем наматывают на электрод, или прикладывают к последнему напряжение, и частицы порошка сами на него садятся.

По условиям вышеназванной программы на проведение всех исследований, а главное - на поиск путей оптимизации и удешевления протекающих в топливных элементах процессов, дано три года. По многим направлениям уже достигнуты неплохие результаты. Однако, по мнению Ю. А. Котова, подводить итоги пока рано, поскольку еще трудно оценить, какие подходы наиболее перспективны.

Газета "Наука Урала", 2005, N 13

Материал подготовила О. В. БАЗАНОВА

* См.: В. Д. Русанов. Водород и водородная энергетика. - Наука в России, 2004, N 6 (прим. ред.).

Permanent link to this publication: