Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 79
Это происходит в связи с тем, что в результате процесса окисления легких спиртов образуются органические загрязнители, которые блокируют поверхность катализатора, топливный элемент становится неэффективным, и чтобы он хоть как-то работал, нужно повышать температуру выше ста градусов, создавать электроды с очень высоким содержанием благородных металлов. В результате мы получаем очень дорогое и непривлекательное для широкого применения устройство.
В случае водорода эта проблема отсутствует, но только если водород будет идеально чистым. Наиболее распространенный метод получения водорода — это реформинг, паровая конверсия органических веществ. Если у нас есть органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, спирт, например, то при определенных условиях его можно расщепить.
Представьте, у нас есть углерод, кислород и водород, мы извлекаем оттуда водород, остается углерод и кислород. Естественно, после процесса конверсии углеводорода они превратятся либо в СО2 — углекислый газ, либо в СО — моноксид углерода, угарный газ. Последнее соединение чрезвычайно неприятно и в плане воздействия на человека, и в плане электрокатализа.
Если СО2 является безвредным для анодных катализаторов ТЭ, и его можно удалить, то СО полностью удалить весьма сложно, и в неких ничтожных количествах он все равно остается в водородном топливе. А если он присутствует в водороде, который мы подаем на топливный элемент, то он очень быстро покрывает поверхность катализатора, дезактивирует его, и топливный элемент становится абсолютно неэффективным.
Наши палладиевые катализаторы по устойчивости к отравлению угарным газом во многом превосходят классические платиновые системы. Чтобы избежать проблемы отравления анодных катализаторов и исключить дорогостоящие стадии очистки топлива, наиболее перспективно получение изначально чистого водорода. Поэтому очень большой интерес вызывает именно процесс расщепления воды на водород и кислород.
Понятно, в воде нет углерода, и при ее расщеплении не образуются никакие загрязняющие вещества. Водород, полученный из воды, по чистоте может достигать 99.99 %. Но вода очень устойчивое соединение, и согласно законам термодинамики, энергетически гораздо более выгодно водороду с кислородом провзаимодейстовать и образовать воду, чем из воды получать водород и кислород.
Способов получить из воды водород и кислород много. Значительный интерес представляет ферментативный способ. Конечно, процесс не очень эффективный, но любопытный, другой метод — фотокаталитический, то есть расщепление за счет энергии солнца (ультрафиолета). Для этого необходимо поместить в воду и подвергнуть ультрафиолетовому облучению, которое может поступать от солнца. В результате происходит процесс расщепления воды на водород и кислород. Но тут возникает проблема разделения водорода и кислорода, так как их образование пространственно не разделено.
И еще один метод, наиболее мне близкий, электрокаталитический. Его суть заключается в том чтобы заставить работать водородный топливный элемент в обратном направлении — то есть не по пути окисления, а по пути восстановления водорода. Для этого на электроды ТЭ подают электрический ток (то есть теперь он потребляет электричество, а не вырабатывает его).
И чем активнее катализатор, тем более эффективно мы расщепляем воду на водород и кислород. Данный метод позволяет получать абсолютно чистое вещество, так как в топливном элементе процессы выделения водорода и кислорода разделены в пространстве. Такая схема, конечно, вызывает много скепсиса. Сначала мы потратили много энергии на то, чтобы из воды достать водород, а потом возьмем его и начнем точно также окислять. Нелогично. Если б мы могли это сделать без потерь энергии, то мы бы получили вечный двигатель, что невозможно.
Понятно, что глобально эта схема абсолютно неэффективна, но она обретает смысл, если реализовать процессы получения водорода ферментативно и фотокаталитически, либо электрокаталитически за счёт возобновляемых источников, энергию которых необходимо запасать. Конечно, можно поставить на зарядку много аккумуляторов и забыть о топливных элементах. Но в настоящем времени аккумуляторные батареи по показателю «запасаемая энергия-вес», по-видимому, достигли своего передела.
Безусловно, сейчас у нас очень маленькие аккумуляторы, но значительно меньше они навряд ли станут. Для телефона это не проблема, а если нужно питать что-то более серьезное, например, автомобиль, то аккумуляторы уже будут громоздкими и неудобным, и гораздо более эффективно было бы использовать топливные элементы. К тому же аккумуляторы требуют зарядки, в топливном элементе такой проблемы нет.
Мы можем заставлять его работать бесконечно, подавая топливо на один электрод, а кислород на другой. Поэтому многие считают, что за топливными элементами энергетическое будущее. Безусловно, на 100% мы не будем обеспечены электричеством за счет топливных элементов. По моему личному мнению, будущее за ядерной энергетикой, потому, что других альтернатив у нас пока нет. Но топливные элементы будут эффективны для обеспечения электроэнергией мобильных устройств и населённых пунктов, расположенных в труднодоступных местах.
- Военные, наверно, их используют активно.
- Да, в американской армии разрабатывали «умный жилет», это бронежилет, который будет следить за состоянием здоровья солдата и выполнять другие полезные функции, и чтобы питать эту сложную систему, много средств было вложено именно в разработку топливных элементов.
- Каким будет следующий шаг вашей работы? Какие задачи будете ставить перед собой?
- Мы постепенно отходим от проблемы анода, потому что в этой части ТЭ на данный момент достигнут заметно больший прогресс, чем, например, на катоде. До нас были проведены исследования, которые показали, что активность палладия можно повысить в три-четыре раза, мы ее повысили больше чем на порядок. А в присутствии яда (СО — угарный газ) — на три порядка. Я считаю, что в эту область мы внесли достаточно большой вклад.
Нам нужен еще год, чтобы доделать ключевые эксперименты, и мы планируем перейти к реакции, которая протекает на катоде топливного элемента. В этой области чрезвычайно много проблем, даже больше, чем на аноде. Но, к сожалению, в рамках президентского гранта их решить категорически нельзя, нужно гораздо более серьезное финансирование. Это очень интригующая, но при этом сложная задача. В ее направлении мы и будем двигаться.
- Разработок в области альтернативных источников энергии достаточно много, в чем преимущество вашей?
- Альтернативные источники энергии — это гидротермальные источники, солнечные, ветряки, но они ни в коем случае не являются конкурентами топливных элементов. Если мы научимся эффективно расщеплять воду, в частности, с применением альтернативных источников энергии, то получим очень эффективный способ запасания энергии.
Ветряки обеспечивают электричеством, например, два три-три домика, но они не смогут постоянно снабжать электроэнергией определенный объект. А если эти альтернативные источники энергии будут работать коллективно, нарабатывать топливо, водород, а потом этот водород будет использоваться для обеспечения электроэнергией удаленного или мобильного устройства, то это будет более или менее эффективно. У этой схемы много и противников, и сторонников, и я принадлежу к последним.
- Расскажите о продвижениях в этой области исследований.
- Продвижения есть. Уже существует несколько успешных производителей топливных элементов, и низкотемпературных, и высокотемпературных — работающих при 300-400 градусах. У производителей последних вообще нет никаких проблем с каталитической активностью, так как из-за высокой температуры катализатор не отравляется, процесс идет очень эффективно. Правда, высокая температура ведет к низкой стабильности и нетранспортабельности.
Результатами исследований в этой области пользуются уже давно, между прочим, водородные топливные элементы применялись во второй половине ХХ века в энергетическом оснащении советских космических кораблей и, если не ошибаюсь, американских тоже.
- Сотрудничает ли ваша группа с иностранными коллегами?
- Мы сотрудничаем с группой электрокатализа, расположенной во Франции. Там работает бывшая сотрудница нашего института, очень уважаемый в мире ученый, Савинова Елена Романовна. Сейчас она занимает должность профессора в Университете Страсбурга и руководителя группы электрокатализа и топливных элементов в составе Лаборатории процессов, материалов и технологий для катализа. Она и начала все исследования по электрокатализу в нашем институте, а после того, как она уехала, я пытаюсь продолжить ее дело — сейчас понемногу расширяюсь, набираю людей. А она, по всей видимости, чувствует свою ответственность «за тех, кого приручила», поэтому помогает нам. Один совместный проект с ними мы уже успешно заключили и подали заявку на второй.
