В 1839 году сэр Вильям Гров (William Robert Grove), проводя очередной эксперимент с электролизом воды, заметил, что электроды активно поглощают выделявшийся газ и вырабатывают электрический ток, несмотря на то, что электролитическая ванна отключена от электрической батареи. Он стал наблюдать за этим явлением и позже, в 1843 году, создал первый топливный элемент.
Сегодня, сто семьдесят с лишним лет спустя, тема топливных элементов, как источников электричества, стала весьма популярна. Мобильные устройства становятся все более мощными, «просто аккумуляторов» не хватает надолго, а между тем есть топливные элементы, способные преобразовывать химическую энергию в электрическую с КПД до 90%! При соблюдении определенных условий работать такие элементы могут почти бесконечно. Среди прочих достоинств - экологическая безопасность и возможность обеспечивать электричеством ваш телефон, ноутбук или рацию за тысячи километров от электрической розетки.
Почему же тогда мы не оснащаем этим источником электроэнергии авиацию и космическую отрасль, не переходим на электромобили и до сих пор используем в сотовых телефонах обычные аккумуляторы? На сегодняшний день это слишком дорого и… несколько взрывоопасно. Впрочем, вопрос цены отступает на второй план, когда речь идет о стихийных бедствиях и социально-политических неурядицах, ведь в таком случае связь становится одним из условий выживания. Вопрос безопасности использования топливных элементов тоже можно решить. О том, чтобы перестраивать энергетическую промышленность под топливные элементы, речи, конечно, пока не идет. Но разработки ученых в области создания топливных элементов с оптимальными показателями ведутся очень активно, и на этом поприще уже достигнуты привлекательные для потребителя результаты. И очень важно, что рождаются эти технологии у нас, в России.
Для того чтобы поговорить о нынешнем положении дел в области топливных элементов и об их применении в реальной жизни, мы встретились с ведущим научным сотрудником Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, доктором физико-математических наук Борисом Борисовичем Илюшиным.
Фото ngs.ru
Алла Аршинова: Борис Борисович, если вы не против, давайте начнем с того, что такое топливный элемент и как он устроен?
Б. Б. Илюшин: В топливном элементе, в отличие от батареек и аккумуляторов, окислитель и топливо подаются извне. Соответственно, он является только посредником в реакции, и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Эффективность этой технологии в том, что в элементе происходит непосредственное превращение выделяющейся при окислении топлива энергии в электричество. При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.
В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно, что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что нет промежуточных механических устройств.
Алла Аршинова: Насколько я знаю, подходы к созданию топливных элементов различаются.
Б. Б. Илюшин: В качестве окислителя в них применяется кислород, который обычно берется при работе из окружающего воздуха. Что касается топлива, то таковым может быть целый ряд веществ - водород, метанол, бор-гидрид, цинк, алюминий и другие. Поэтому топливные элементы можно группировать по топливу, по виду электролита (твердые – жидкие, кислотные – щелочные); по температуре (высоко- и низкотемпературные); по мощности, по размеру. Все типы даже перечислить-то непросто.
Алла Аршинова: А где при нынешнем уровне развития технологии элементы могут использоваться?
Б. Б. Илюшин: В силу своей дороговизны, они пока нашли очень ограниченные области применения. Например, в космической отрасли.
Прототип топливного элемента для двухместного космического корабля серии Gemini
Также известны прототипы для зарядки телефонов, камер, GPS, ноутбуков, представленные рядом компаний, среди которых Toshiba, Sony и Panasonic.
Тем не менее, промышленный выпуск еще не налажен, в том числе из-за проблем с безопасностью. Например, метанол, который часто используется в качестве топлива для компактных топливных элементов, в настоящее время запрещено перевозить на самолетах. Исключением является промышленный выпуск бор-гидридных моделей, о котором чуть ниже.
Топливный элемент Toshiba, работающий на метаноле. В самолет такой не возьмешь
Также ведется активная работа по использованию топливных элементов в автомобилях. Но пока такие источники энергии не могут составить конкуренцию двигателям внутреннего сгорания по экономическим соображениям.
Зато рассматривается перспектива использования топливных элементов в качестве резервных источников электроэнергии вплоть до мощностей 2-10 киловатт. Они могут применяться в коттеджах, учреждениях связи, сигнализации и медицине.
Алла Аршинова: Многих волнует вопрос – могут ли топливные элементы стать альтернативой аккумуляторам в мобильных устройствах?
Б. Б. Илюшин: Я думаю, в ближайшей перспективе они не заменят аккумулятор в телефонах. Скорее, можно говорить об использовании в качестве автономного зарядного устройства, в том числе и для телефона. Например, если вы планируете поездку в места, где нет возможности зарядить аппарат от сети. Или в случае аварий и стихийных бедствий. Да и в обыденной жизни, наверное, каждый сталкивался с ситуацией, когда в самый неподходящий момент аккумулятор телефона разрядился, и под рукой нет сетевой розетки. Вот здесь такое компактное зарядное устройство окажется очень кстати.
Алла Аршинова: А что сдерживает применение топливных элементов в электромобилях?
Б. Б. Илюшин: Преимущества электромобиля на ТЭ – это, в первую очередь, экологичность и независимость от углеводородных топлив. Так, для водородного топливного элемента продуктом сгорания является чистая вода. Однако само производство водорода не является экологически чистым. В настоящий момент он производится либо путём расхода значительного количества электроэнергии, либо из тех же углеводородов. В первом случае используется электроэнергия, которая в основном производится на тепловых электростанциях со значительными выбросами.
То есть отсутствие вредных выбросов от автомобиля компенсируется выбросами от тепловых электростанций. Конечно, в перспективе для этого могут быть использованы технологии с применением атомной, гидро-, ветровой, солнечной энергетики. Но структурная перестройка энергетической промышленности не может произойти за 10 или даже за 50 лет! Тем не менее, исключение вредных выбросов в городской черте (от автомобилей), локализация этих выбросов в условно безопасных местах вне города, на тепловых электростанциях, существенно улучшит экологическую обстановку в крупных городах. Поэтому уже сейчас активно ведутся работы по созданию городского электромобиля на ТЭ.
Что касается непосредственно электромобиля. Если предположить, что очень быстро будет развита сеть заправок для топливных элементов, также как сейчас для двигателей внутреннего сгорания, то основными сдерживающими факторами являются безопасность (особенно если речь идет о водородной версии), вес и емкость топлива на 500 км пробега, а также стоимость элемента, технологии хранения топлива и их обслуживания. Пока такие электромобили проигрывают по этим показателям автомобилям с ДВС.
Алла Аршинова: Не секрет, что в Институте теплофизики разрабатываются топливные элементы на основе алюминия, а также бор-гидридного типа. Для чего они предназначены?
Б. Б. Илюшин: Да, в нашем институте ведутся работы, в том числе и по созданию высокотемпературных ТЭ. Конкретно в нашей лаборатории разрабатываются компактные версии, работающие при комнатной температуре. Их главной отличительной особенностью от стационарных элементов являются повышенные требования к безопасности использования, хранения и транспортировки, в том числе, что немаловажно, при произвольном положении в пространстве. Заложенная в них новая технология эффективного и безопасного получения электрической энергии позволяет потенциальному потребителю автономно заряжать или даже использовать напрямую компактные электронные устройства: сотовые телефоны, GPS, фотокамеры и прочая, и прочая.
Компактными топливными элементами на «бор-гидриде» мы занимались совместно с фирмой Medis и прошли путь от лабораторного образца до промышленного выпуска на заводе в Ирландии.
Себестоимость такого элемента достаточно высока и не позволяет наладить устойчивый спрос. Тем не менее, в случае стихийных бедствий вопрос цены уходит на второй план. И выпускаемый комплект такого источника питания для фонарика и зарядки телефона оказался востребованным, например, МЧС США (на самом деле, Борис Борисович немного сгущает краски – сегодня на Amazon можно купить комплект Medis Fuel Cell Power Emergency Kit всего за $12.99, а сменный модуль с топливом стоит $10.99. Обещают, что по стандартному iPhone от одного модуля можно проговорить до 30 часов без перерыва. Но, конечно, чем мощнее ТЭ, тем дороже. – прим. редакции)
Фото ngs.ru
Нам удалось значительно удешевить компактный топливный элемент, перейдя к другому виду топлива – алюминию. Во-первых, для него алюминий является одновременно анодом и топливом. Это упрощение конструкции, а значит и снижение себестоимости технологии сборки ввиду отсутствия одного из электродов - анода (электроды, как правило, содержат дорогие катализаторы). Во-вторых, использование углеродных наноструктур в катоде, полученных по технологии, разработанной у нас в институте, позволило вообще исключить дорогостоящие катализаторы, такие как платина или палладий. Удалось значительно повысить безопасность эксплуатации, хранения и транспортировки такого ТЭ. Снизилась в результате только цена.
Слева традиционная схема работы топливного элемента, справа – разработанного в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе и использующего алюминий
Сейчас мы работаем над промышленным прототипом, адаптированным к технологическим процессам сборки на автоматизированных линиях. К сожалению, работа сдерживается отсутствием заинтересованного инвестора. В первую очередь хотелось бы ориентироваться на выпуск таких источников питания у нас, в России. Думаю, если потребительская цена будет в пределах 300 рублей, даже в нашей стране на них будет спрос (добавим, что проект с ирландской Medis был во многом инициирован главой израильского подразделения этой компании, выходцем из России Геннадием Финкельштейном. Получается, что, даже уехав, наши люди продолжают способствовать развитию отечественной науки – прим. редакции.)
Алла Аршинова: А в чем специфика водородных топливных элементов? Решена ли проблема их безопасности?
Б. Б. Илюшин: Как я уже говорил, специфика использования водорода заключается в первую очередь в его экологичности. Сами водородные ТЭ пока еще остаются достаточно дорогими, но во всем мире активно ведутся работы по их удешевлению. Другая проблема - это хранение водорода, его безопасность. На мой взгляд, самый дешевый и безопасный способ – хранение в химически связанном состоянии. То есть топливо хранится в виде безопасного стабильного вещества, из которого по мере необходимости получается водород. Хотя такой способ предполагает наличие специального устройства – генератора водорода из исходного топлива, тем не менее, он представляется более перспективным, чем, например, криогенная технология хранения или хранение водорода под высоким давлением.
Алла Аршинова: Очертите, пожалуйста, перспективы топливных элементов в целом: могут ли они конкурировать с традиционными мобильными источниками энергии?
Б. Б. Илюшин: В ближайшей перспективе ТЭ будут выступать как альтернатива традиционным источникам энергии. У них есть своя ниша потребления, которая, по мере развития технологии, будет расширяться. Темп этого развития во многом зависит от цены на углеводороды и обострения экологических проблем. В то же время будут улучшаться характеристики и традиционных источников энергии. Поэтому не думаю, что топливные элементы полностью вытеснят, например, аккумуляторы. Но конкуренцию им они, несомненно, в ближайшем будущем составят.