Уравнение превращений водорода в топливном элементе

9 декабря 2003 г. состоялось совместное заседание Президиума РАН и Правления ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»». Участники совещания заслушали научное сооо щение «Водородная энергетика и топливные элементы», которое от имени соавторов сделал академик Г.А. Месяц, и выступление генерального директора — председателя Правления ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»» М.Д. Прохорова. После обсуждения научного сообщения состоялось подписание Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам между Российской академией наук и ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»». Со стороны академии программу подписал президент РАН академик Ю.С. Осипов, со стороны компании генеральный директор М.Д. Прохоров. Ниже публикуются с небольшими сокращениями материалы заседания Президиума РАН.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
И
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Г. А. Месяц, M. Д. Прохоров

Месяц Геннадий Андреевич — академик, вице-президент РАН, директор Института электрофизики УрО РАН.
Прохоров Михаил Дмитриевич — генеральный директор — председатель Правления ОАО «ГМК «Норильский никель»».

В сентябре 2003 г. было принято принципиальное решение о том, что Российская академия наук и ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»» объединят свои усилия в исследовании проблем водородной энергетики и топливных элементов. 10 ноября 2003 г. было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве Российской академии наук и компании «Норильский никель». В соответствии с соглашением мы должны в течение месяца разработать и подписать программу наших совместных работ. За этот месяц вместе с представителем «Норильского никеля» В.А. Пивнюком мы посетили ряд ведущих научных организаций Российской академии наук и других ведомств. Побывали на Урале, провели три научных семинара — в Екатеринбурге, Санкт-Петербурге и в Москве, где заслушали около 40 научных докладов.

Мы договорились, что работы в основном будут идти в направлении водородной энергетики и топливных элементов, потому что понятие «водородная энергетика» значительно шире, чем просто получение электрической энергии. Кроме того, мы договорились (и это оговорено в соглашении), что многие исследования, которые сейчас осуществляются на двусторонней основе институтами РАН и компанией «Норильский никель», будут продолжаться. Некоторые из них находятся за рамками нашей совместной программы, но потом они могут влиться в нее.

Расскажу о современном состоянии водородной энергетики в мире, о том, что происходит в этой области исследований в России, какие имеются возможности и на что мы можем рассчитывать.

С 1900 по 2000 г. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз — с 21 до 320 экоДж (1 экоДж = 27 х 10 6 м 3 нефти). В качестве первичных источников используются нефтепродукты (34.9%), уголь (23.5%), природный газ (21.1%), ядерное топливо (6.8%) и возобновляемые источники — ветер, солнце, гидро- и биотопливо (13.7%). Это привело к тому, что за 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза и сегодня составляют 20 х 10 12 м 3 /год. Это тот самый углекислый газ, ради которого существует Киотский протокол и который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Вообще энергетика, основанная на ископаемом топливе, создает очень много экологических проблем. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако существующие методы производства энергии и высокие темпы роста ее потребления приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики — поиски путей преодоления экологических проблем.

Вторая и, наверное, главная проблема состоит в том, что существующие источники энергии ограничены. Считается, что нефти и газа хватит не более чем на 100 лет, угля — примерно на 400 лет, ядерного топлива — на 1000 лет с лишним. Для того чтобы иметь топливо, когда на Земле будут исчерпаны запасы нефти и газа, и решить экологические проблемы, необходимо переходить к новым источникам энергии и иметь «чистую энергетику». И наша главная надежда — на водородную энергетику: использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии. Одновременно резко сократится потребление ископаемых топлив, потому что водород можно получать из воды, разлагая ее на водород и кислород. Энергию для этого будут давать ядерная энергетика и возобновляемые источники.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1). Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии. Именно топливным элементам я уделю основное внимание.

Начну с производства водорода. Один из его источников — природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ — смесь СО и Н 2 (рис. 2). Из нее затем выделяется водород. Другой источник — отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем — синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Теперь остановлюсь на способах хранения водорода. Самый эффективный из них — это баллоны. В таблице 1 приведено отношение (в процентах) массы водорода к массе тары для его хранения. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 13% (масс) водорода; 500 атм — 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 9% водорода. Удобно хранить водород в сжиженном состоянии. Хорошие способы его хранения — адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Отмечу, что целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Перехожу к выработке электроэнергии с использованием водорода, то есть непосредственно к топливным элементам. Это — гальваническая ячейка, вырабатывающая электроэнергию за счет окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. При работе топливного элемента электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. В нем химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. Очень важно, что нет превращения химической энергии топлива в тепловую и механическую, как в традиционной энергетике. При сжигании газа, мазута или угля в котле нагревается пар, который под высоким давлением поступает в турбину, а турбина уже вращает электрогенератор.

В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и чистый кислород, на аноде происходит разложение водорода и его ионизация (рис. 3). Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом и возникает вода. Фактически в этом и состоит главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Первая электрическая энергия была получена с помощью топливного элемента еще в 1839 г. Однако бум вокруг водородной энергетики возник тогда, когда началось освоение космоса. В 60-е годы прошлого века были созданы топливные элементы мощностью до 1 кВт для программ «Джемини» и «Аполлон», в 70-80-е годы — 10-киловаттные топливные элементы для «Шаттла». У нас такие установки разрабатывались для программы «Буран» в НПО «Энергия», которое выступало координатором всей программы, но сами щелочные топливные элементы создавались в Новоуральске на электрохимическом комбинате. В те же годы были построены электростанции мощностью порядка 100 кВт на фосфорнокислотных топливных элементах. В Японии и США имеются опытные 10-мегаваттные электростанции.

С 1990-х годов и по настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Нужно иметь в виду, что и в автотранспорте находят применение топливные элементы, а в качестве их нагрузки — электрические двигатели. Кроме того, сейчас разрабатываются портативные источники электроэнергии (мощность менее 100 Вт) для компьютеров, сотовых телефонов, фотоаппаратов. В качестве топлива в них используется, как правило, метанол, из которого получают водород. Подзарядка элементов производится всего один раз в месяц.

Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам — аноду и катоду, продукты (инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления) непрерывно отводятся от них. Основные типы топливных элементов приведены в таблице 2. По типу электролита они классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре — на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов. Полимерная мембрана Nafion, применяемая в твердополимерных топливных элементах, в США и Канаде производится фирмой «Дюпон», в России аналогичные мембраны выпускает фирма «Пластполимер».

Я приводил пример топливного элемента, в электролите которого перенос заряда осуществляется ионами водорода (см. рис. 3). В других топливных элементах носителями заряда могут выступать ион кислорода, радикал ОН — или СО 3 — окислителями могут быть кислород либо воздух (рис. 4).

Таблица 3 демонстрирует требования к чистоте водорода для различных топливных элементов. Щелочные, твердополимерные и фосфорнокислые электролиты очень чувствительны к СО. В карбонатных и твердооксидных топливных элементах СО является топливом. Чувствительность к CO 2 щелочных элементов тоже очень высокая, но CO 2 не влияет на работу других топливных элементов. Достаточно большую чувствительность к таким примесям, как H 2 S и COS, показывают все топливные элементы. Примеси отнесены к ядовитым, если их присутствие приводит к выходу из строя топливных элементов из-за отравления электродов или электролитов. В конечном счете примеси к водороду сокращают срок службы топливных элементов.

Сейчас в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде (рис. 5,а). Считается, что они будут применяться в основном на автотранспорте. Пока их стоимость довольно высокая: 1 кВт установленной мощности в лучших образцах обходится в (3-5) тыс. долл. Нужно снизить стоимость 1 кВт до 100 долл., чтобы сделать твердополимерные топливные элементы конкурентоспособными на транспорте. Что касается автономной энергетики, то для нее предназначаются в первую очередь твердооксидные топливные элементы (рис. 5,б). Вырабатываемый ими 1 кВт установленной мощности стоит сейчас 3 тыс. долл., приемлемая для водородной энергетики стоимость — 1 тыс. долл. — может быть вскоре достигнута. Топливный элемент — лишь составная часть электрохимического генератора, который содержит еще системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 6). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами (рис. 7) изменяются от 30% (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60-65% (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Вернусь еще раз к вопросу о выбросах в атмосферу, чтобы понять важность экологического аспекта водородной энергетики. В таблице 4 приведены предельно допустимые выбросы существующих энергоустановок. Если мы перейдем на водородную энергетику, то некоторые выбросы (NO х и СО) снизятся на порядки, а некоторых (SO 2 и твердых частиц) вообще не будет.
Рассмотрим энергоустановку, основой которой является солнечная батарея. Наличие солнечного света и потребность в энергии не всегда совпадают. Когда потребление энергии незначительное, электрическая энергия от солнечной батареи может использоваться для электролиза воды и получения водорода. Водород поступает в накопитель и по мере необходимости используется для выработки электроэнергии в водородных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, и будет основой для будущей автономной электроэнергетики.

Теперь коротко о перспективах применения топливных элементов на транспорте и в децентрализованной энергетике (табл. 5). В мегаваттных установках для децентрализованной энергетики используются фосфорнокислые и расплав-карбонатные топливные элементы и метан в качестве топлива с последующим преобразованием его в водород химическими методами. На транспорте находят применение киловаттные энергетические установки с твердооксидными и твердополимерными топливными элементами.

В Японии создана энергетическая установка на топливных элементах мощностью 100 кВт, в Германии — установка мощностью 250 кВт, функционирующая как небольшая автономная электростанция. Фирма «Сименс Вестигхаус» разработала гибридную энергетическую установку на твердооксидных топливных элементах. В ней мощная струя выходящих газов используется для работы газовой турбины, то есть к электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, добавляется электрическая энергия, вырабатываемая турбиной. Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей. В таких городах, как Амстердам, Барселона, Лондон, Гамбург, Мадрид, прошли показательные испытания городских автобусов на топливных элементах. Первая такая демонстрация состоялась в 1993 г., а наибольшее их число пришлось на 1999-2003 гг.: 60 демонстраций 17 компаний, производящих легковые автомобили, и 11 демонстраций 7 компаний, выпускающих автобусы. Компании «Дженерал Моторс» и «Даймлер-Крайслер» намереваются продемонстрировать электромобиль в 2004 г. (водород предполагается получать из бензина), компании «Баллард Пауэр Системе» и «Даймлер-Крайслер» — в 2005 г.

А как обстоят дела с водородной энергетикой и топливными элементами в России?

Надо сказать, что водородной энергетикой у нас занимаются довольно давно, поскольку эти работы имели очень большое значение для автономной энергетики в космосе и подводном флоте. Космос и подводный флот были фактическими источниками средств для развития водородной энергетики. Почти 20 институтов АН СССР, а затем РАН (в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске) решали те или иные вопросы водородной энергетики. В последние годы исследования поддерживались в основном за счет совместных контрактов с иностранными компаниями (ряд разработок, о которых я упоминал, в той или иной мере были сделаны при участии российских ученых).

На протяжении 20 лет десятки академических институтов ведут исследования в этой области. В Институте катализа им. Г.К.Борескова СО РАН, имеющем хорошую экспериментальную базу и испытательное оборудование, изучается возможность использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения водорода. Здесь создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей его очисткой с помощью мембран. Что касается мембран, то очень хорошие результаты достигнуты в Институте общей и неорганической химии им.Н.С.Курнакова РАН и в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН. В Институте электрофизики УрО РАН по совместной программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования. Генерация электрическои энергии в твердооксидных топливных элементах происходит при температуре 950 о С и плотности мощности 470 МВт/см 2 .

Уральский электрохимический комбинат — пионер в создании электрохимических генераторов мощностью в десятки киловатт. В 1971 г. здесь был разработан электрохимический генератор «Волна» (мощность 1.2 кВт) на щелочном топлив ном элементе для отечественной лунной про граммы, в 1988 г. — система «Фотон» (мощность 10 кВт) для «Бурана». Комбинат может выпускать такие установки по несколько штук в год. В 1999 г. для космического аппарата «Ямал» были созданы модули из двух никель-водородных аккумуляторных батарей то есть водород можно использовать не только для топливных элементов, но и для аккумуляторов энергии.

В 1982 г. НПО Квант впервые снабдил авто мобиль «РАФ» водородным щелочным топливным элементом. В 2001 и 2003 гг. Уральский электрохимический комбинат, РКК «Энергия» и АвтоВАЗ на автосалонах в Москве демонстрировали автомобиль «Лада» с электродвигателем и электрохимическим генератором «Фотон». В первой системе окислителем служил кислород, во второй — очищенный от CO 2 воздух, что существенно упростило конструкцию автомобиля. Однако и в том, и в другом случае использовался хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут проехать 300 км

В нашей стране для автономной энергетики созданы различные установки с электрохимическими генераторами мощностью от 1 до 16 кВт, в том числе корабельные мощностью 150 кВт и более.

* * * Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов — (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы — (20-30) тыс. часов.

Что касается коммерциализации электрохимических генераторов на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) — 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена — 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное — стоимости топливных элементов для транспорта.

Учитывая потребности рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании — почти в 10 раз больше.

Россия на уровне системного понимания проблемы топливных элементов нисколько не уступает Западу. Десятки отечественных институтов так или иначе работают над этой проблемой в кооперации с международными компаниями. Отечественная компания «Пластполимер» предполагает построить в Европе один из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных элементов. На недавней конференции в Вашингтоне американцы говорили, что покупают в Испании полимерную пленку, изготовленную по российской технологии.

Мы сильно отстали от Запада в области традиционных технологий. Но традиционные технологии, несмотря на огромные вложения, до сих пор не позволили Западу и Японии создать топливные элементы коммерческого уровня. Нам надо обгонять Запад, не догоняя. Для этого, мне кажется, у нас есть хороший задел в области нанотехнологий, направленного синтеза материалов, тонкопленочных, лучевых технологий. Необходимо объединить достаточно мощный потенциал Российской академии наук, отраслевых институтов, Минатома РФ, чтобы быстро продвигаться вперед.

В Комплексной программе поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам запланировано исследование палладия. Металл платиновой группы палладий является одним из основных материалов для топливных элементов и всей водородной энергетики. На его основе изготовляются катализаторы, мембранные аппараты для получения чистого водорода, материалы с повышенными функциональными характеристиками, топливные элементы, электролизеры, сенсоры для определения водорода. Палладий может эффективно накапливать водород, особенно нанопорошок палладия.

Помимо водородной энергетики, палладий находит применение в катализаторах для доочистки выхлопных газов обычных автомобилей; электролизерах для получения водорода и кислорода путем разложения воды; портативных топливных элементах, в частности метанольных; твердооксидных электролизерах с электродами на основе палладия; устройствах для получения кислорода из воздуха, в том числе и в медицинских целях; сенсорах для анализа сложных газовых смесей.

Задачи Российской академии наук в развитии водородной энергетики и палладиевых технологий, по нашему мнению, следующие:

• разработка новых технологий для водородной энергетики;

• поиск и исследование новых материалов и процессов, перспективных в области водородной энергетики;

• исследования по рациональному и эффективному применению палладия и металлов платиновой группы в энергетике и катализе;

• научное сопровождение со стороны академических институтов разработок промышленных технологий (мы не можем организовать серийное производство, но обязаны организовать научное сопровождение);

• разработка прогнозов развития водородной энергетики в России;

• создание концепции водородной экономики.

• создание твердополимерных и твердооксидных топливных элементов, а также дальнейшее изучение возможностей щелочных топливных элементов, топливных процессоров для получения водорода из углеводородных топлив;

• разработка комплексов по производству, очистке, аккумулированию, хранению и транспортировке водорода;

• создание высокоэффективных экологически чистых энергетических установок и электрохимических генераторов широкого класса на основе топливных элементов, в том числе для использования в бытовых электронных устройствах;

• разработка ключевых элементов инфраструктуры водородной энергетики;

• разработка перспективных технологических процессов и изготовление высокотехнологичной продукции на основе использования палладия и металлов платиновой группы.

Реализация Генерального соглашения и той программы, которая сегодня будет подписана, — одно из направлений будущего развития Академии наук. Я знаю, что и другие компании проявляют интерес к сотрудничеству с Российской академией наук, и на двусторонней основе уже работают с нашими институтами. Напомню, что в 2002 г. Академия наук именно благодаря хоздоговорам заработала 5 млрд. руб., а средства, которые были ей выделены из бюджета, составили 10 млрд. руб. Надеюсь, что нынешнее совместное заседание Президиума РАН и Правления компании «Норильский никель» положит начало новым методам инновационной деятельности Российской академии наук.

Затем слово было предоставлено генеральному директору — председателю правления ОАО «ГМК «Норильский никель»» М.Д. Прохорову.

М.Д. Прохоров: Свое выступление начну со слов благодарности в адрес Российской академии наук за ту энергию и энтузиазм, с которыми ее представители включились в совместную разработку водородной темы и топливных элементов. Хотел бы высказаться по вопросу стратегии России в области водородной энергетики и топливных элементов, а также обсудить базу, с которой мы стартуем, и требования, которые должны быть предъявлены к нашим разработкам.

К нашему глубокому сожалению, Россия потеряла статус великой экономической державы: по ВВП мы находимся во втором десятке стран мира, по среднедушевым доходам — еще дальше; наша экономика сильно зависит от экспорта и импорта высоких технологий; в стране не развит добавленный продукт, многие вещи мы импортируем. Все это необходимо учитывать при разработке программы по водородной энергетике для того, чтобы она была успешной.

Президент России В.В. Путин поставил амбициозную задачу: удвоить ВВП к 2010 г. Но эта задача базируется на линейном удвоении. На мой взгляд, при 8%-ном росте ВВП в год мы не решим глобальную проблему — не вернем Россию в число ведущих мировых экономических держав. Мы лишь сократим немного отставание от этих стран. Если наш ВВП будет расти на 8% в год, а ВВП США на 1% в год, мы достигнем их потенциала через 236 лет. (выделено нами — V.V. )

Изучение экономических проблем и совместные работы с Российской академией наук привели нашу компанию к одному очень интересному выводу. Мы считаем, что развитие водородной энергетики и технологии создания топливных элементов — единственная возможность для нашей страны попасть в число ведущих экономических держав мира. Приведу три базовых аргумента.

Первый аргумент. Мир стоит перед выбором перехода на новый технологический уклад. И совсем не обязательно, что те страны, которые сейчас на коне, особенно успешно совершат этот переход. Даже наоборот: большие вложения в крупную дорогостоящую инфраструктуру (порядка 1 трлн. долл.) могут не позволить вовремя переориентироваться и перейти на новый уклад. Но у нашей страны есть возможность попытаться сделать прорыв сразу в новую экономику.

Второй аргумент. Главная цель водородной технологии — снижение зависимости от существующих энергоносителей, то есть нефти и газа. Именно эти энергоносители являются основой нашей нынешней экономики и бюджета. Если через 15 лет в результате внедрения водородной экономики потребление нефти и газа резко сократится, нас ждет депрессионная модель развития. Так что альтернативы переходу на водород ную экономику у нас просто нет.

Третий аргумент. Для того чтобы конкурировать, необходимы конкурентные преимущества. В данном случае они налицо: фундаментальные разработки Российской академии наук и металл будущего — палладий, 50% мирового производства которого контролирует Россия.

Все эти три аргумента убеждают меня в том, что мы практически располагаем исторической возможностью предложить Президенту страны и правительству нашу совместную комплексную программу в качестве национальной экономической идеи по возврату России статуса великой экономической державы. И это надо будет сделать, на мой взгляд, с использованием Совета при Президенте Российской Федерации по науке и высоким технологиям.

Какие требования будет предъявлять мировая экономика к нашим разработкам?

Прежде всего мы должны опережать наших западных коллег. Дело в том, что в стране не развит, к сожалению, добавленный продукт, а значит, емкость российского рынка очень небольшая. И на первом этапе наша продукция должна реализовываться именно на западных рынках, поэтому наши разработки должны превосходить западные аналоги, чтобы рынок их принял. Мы должны отдавать приоритет тем исследованиям и разработкам, которые не будут повторять аналогичные зарубежные проекты, а позволят нам выйти на передовые позиции в мире и создать конкурентоспособные продукты в области водородной энергетики, превосходящие по своим параметрам западные образцы и технологии. Для того, чтобы догонять, надо сразу перегонять.

По нашему глубокому убеждению, простое усовершенствование сегодняшних технологий не отвечает необходимым требованиям будущей водородной экономики. Технические проблемы в этой области должны быть решены за счет серьезных фундаментальных исследований в различных областях химии, физики, материаловедения, нанотехнологии, а также за счет интеграции самих исследований с производством и потребностями бизнеса уже на ранней стадии их проведения.

Еще одна существенная проблема — финансирование. Естественно, средств «Норильского никеля» не хватит на всю комплексную программу. Это только стартовый капитал, который позволит сдвинуть дело с мертвой точки. Необходимо привлечение государственных ресурсов в рамках национальной программы, а также ресурсов нефтяных, газовых и энергетических компаний.

На мой взгляд, недостаточно располагать средствами на финансирование научных разработок, необходимо иметь четкий государственный

Во-первых, мы умеем создавать очень высокое давление водорода, что само по себе является технически революционным достижением. Как вы понимаете, сжать водород простым компрессором нельзя, потому что он «вылезает» через все железо наружу. Механическим путем создать давление водорода больше 5 тыс. атм невозможно. Нужно думать о каких-то других методах. В нашем институте больше 10 лет существует совершенно «пионерская» методика: чисто химико-динамическим путем поддерживается давление водорода порядка 100 тыс. атм. Спрашивается: зачем это нужно? Используя такое высокое давление водорода, мы можем определить, какое количество водорода могут аккумулировать различные вещества, то есть сертифицировать их на предмет возможного аккумулирования водорода.

Я вполне убежден (думаю, никто и не будет со мной спорить), что будущее принадлежит твердотельным аккумуляторам водорода. Мы изучаем аккумулирование водорода фуллеренами и нанотрубками. Должен сказать, что такие работы ведутся во всем мире. Оказалось, что высокое давление водорода помогает «засадить» в эти структуры довольно много водорода, который удерживается в них до температуры порядка 450-600°С. Когда водород начинает извергаться, его можно сжигать. Надо сказать, что довольно большое количество водорода (больше 200%) можно аккумулировать при высоком давлении в фуллерены и нанотрубки.

Сотрудник нашего института, известный специалист в области физики высоких давлений профессор Е.Г. Понятовский является лидером японского проекта по созданию водородных аккумуляторов для транспорта, который ученые Японии выполняют для фирмы «Мицубиси».

Второй вопрос, на котором я хочу остановиться, относится к классической электрохимии. Имеются твердотельные электролиты, так называемые суперионники — суперионные проводники, которые в обозримом будущем могут заменить жидкостные электролиты. В суперионниках проводимость реализуется не за счет электронов, а за счет ионов, обладающих очень высокой подвижностью. Следует отметить, что это направление очень перспективное.

Мне кажется, что комплексную программу, которую представил Геннадий Андреевич, надо усилить физическим аспектом, в частности, включить в нее такие фундаментальные проблемы, как хранение водорода в твердотельных аккумуляторах и новые типы проводников. Думаю, надо дополнить состав Совета по комплексной программе представителями Отделения физических наук РАН.

Несколько по-другому смотрит на проблему транспорта правительство Москвы. Предполагается, что автомобили будут pa6oтать не на водороде, а на эфире. Но и в этом случае придется создавать свои собственные источники энергии. Если же мы собираемся импортировать автомобили, нужно будет создавать другую структуру, обеспечивающую топливом.

Что касается топлива, то, мне кажется, в ближайшее время им будет природный газ, а в перспективе — ядерное топливо. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор принят в качестве основного источника энергии. Однако его создание, как и осуществление программы по развитию ядерной энергетики, потребует серьезной работы.

Если говорить о возможном импорте, приведу довольно забавный пример. В Москве заканчивается строительство завода по переработке городского мусора плазменным методом. Планируется с одной тонны мусора получить 70 кг водорода. Для России такое малое количество водорода пока не интересно. А вот для таких стран, как Япония и Израиль, где мусора много, это важно. По весьма грубой оценке, в развитой индустриальной стране семья производит в год достаточно мусора, чтобы на водороде, полученном из семейных отходов, мог бы целый год работать автомобиль.

Один из важнейших вопросов — конечная чистота получаемого водорода, потому что плазменное преобразование может использоваться и для превращения метана в водород. Так что мне кажется необходимым оценить все технологии водородной энергетики с экономической точки зрения и, не откладывая в долгий ящик, подготовить некий системный отчет по проблеме.

Надо сказать, что сегодня развитие водородной энергетики сдерживается экономическими соображениями. Стоимость киловатта установленной мощности более (3-4) тыс. долл. — на порядок больше, чем в традиционной энергетике. Кроме того, цена водорода на порядок выше, чем обычного топлива. Тем не менее для всех очевидно, что цена обычного топлива будет расти, а энергии, произведенной водородными устройствами, — падать. Поэтому перспективы водородной энергетики вполне удовлетворительные.

Мне кажется, что в обсуждаемой нами комплексной программе по водородной энергетике следует обратить внимание на экономическую составляющую. Наш выдающийся энергетик академик Михаил Адольфович Стырикович в свое время говорил, что «энергетика — это физика и экономика, и ничего больше». Каждая новая технология должна проходить внимательный содержательный анализ, в том числе экономический, особенно имея в виду конкуренцию с другими технологиями.

Еще одна очень серьезная проблема — безопасность всей водородной энергетики. Мы все хорошо помним, как нерешенность проблемы безопасности и вызванная этим чернобыльская авария задержали развитие ядерной энергетики. По одному из сценариев на четвертом блоке Чернобыльской АЭС взорвался именно водород.

Водород обладает физико-химическими свойствами, которые делают очень опасным его применение. Скорость диффузии водорода в открытом пространстве — 2 м/с (у обычного газа — 20 см/с). Более того, концентрационный предел по горению и детонации у водорода на порядки более высокий, чем у топливного газа и паров бензина. А главное, водород обладает наибольшей калорийностью и в зависимости от гидродинамической схемы развития взрыва может в десятки раз превосходить тротиловый эквивалент тринитротолуола. Обращение с водородом требует высочайшей культуры, которую трудно обеспечить в российских условиях. Необходимо очень внимательно следить за взрыво- и пожаробезопасностью всех этих систем. Не случайно в программах водородной энергетики, которые есть в США и в других странах, обращению с водородом уделено очень большое внимание. Я бы предложил в нашей комплексной программе усилить элемент, связанный с безопасностью производства, хранения и использования водорода, потому что незакрученный штуцер в водородном двигателе в гараже под небоскребом может вызвать взрыв и поставить крест на всей водородной энергетике.

В заключение считаю нужным отметить, что программа по водородной энергетике — хороший пример инновационных технологий с участием Российской академии наук и частного бизнеса.

Безусловно, энергетика и электроника — основные направления технического развития. Безусловно, национальной идеей является переход на экономику, основанную на высоких технологиях. Для сравнения: 1 г сверхбольшой интегральной схемы с топологическим размером 0.1 мкм стоит столько же, сколько 1 т нефти; 1 г интегральной схемы на гетероструктурах — столько же, сколько 10 т нефти. В этих схемах реализован огромный интеллектуальный потенциал, сложнейшее оборудование.

Технологический прорыв в области энергетики (и в области топливных элементов, и в области солнечной энергетики, которой я занимаюсь) в значительной степени был подготовлен теми большими средствами, которые вкладывались в военные, атомные и космические программы. Если бы их не было, мы про атомную энергетику до сих пор говорили бы как про энергетику будущего. Ныне ситуация изменилась: большие средства для вложения предоставляет частный бизнес.

Еще раз хочу подчеркнуть: в Академии наук создан достаточно большой научный задел. Следующий этап в развитии всегда связан с новым технологическим прорывом, который подготавливается серьезными фундаментальными исследованиями. Например, общая мощность нынешней солнечной энергетики — 1 ГВт, согласно оценкам, которые опираются на стандартные технологии, в 2030 г. она .составит 10 ГВт. Уже сегодня, благодаря использованию новых идей в гетероструктурах, уДается поднять кпд в два-три раза, в ближайшие 10 лет кпд увеличится до 50-60% (теоретически кпд равен 93%).

Я знаю, топливными элементами занимаются очень давно, например организации, разрабатывающие космическую технику. Но в этой области нужно искать новые возможности для технологического прорыва, иначе мы еще много лет будем стоять на том же уровне. Так что особое внимание должно быть уделено поисковым фундаментальным исследованиям.

Владимир Евгеньевич Фортов совершенно правильно поднял вопрос о безопасности водородной энергетики. Водород как топливо применяется в России уже давно. В прошлом веке два наших академика, А.Н. Туполев и Н.Д. Кузнецов, создали единственный в мире самолет, который летал на водороде. Это был уникальный самолет, его показывали в Ницце и в Лондоне. Мне приходилось летать на нем, и должен вам сказать, что от этих полетов было впечатление постоянной опасности именно потому, что ты все время думал: «А затянули ли там все гаечки? Не утекает ли водород?». И вот теперь говорят о водородной энергетике в домах, в которых сейчас каждые три недели в квартирах взрывается природный газ. Представьте себе, утечка водорода в доме. Говорят: «Ну, водород легкий. Он вверх пошел бы». Да, он пошел вверх, а там закурили.

И второй вопрос. Если топливный элемент водород-кислородный, то из-за примесей, которые могут быть в водороде и кислороде, он пока не работоспособен на большие ресурсы. Сегодня лучшие топливные элементы имеют ресурс не больше нескольких тысяч часов. А ведь еще более 25 лет назад член-корреспондент АН СССР Н.С. Лидоренко в Москве и академик АН УССР А.Н. Подгорный в Харькове создали электромобили. Я сам на них ездил — и на «Волге» и на «Рафике», эксплуатировались всего восемь электромобилей. А почему они дальше демонстрации не пошли? Не было ресурса, потому что электромобили работали уже не на чистом кислороде, а на воздухе, в котором сера, тяжелые металлы и полно всякой гадости. Отсюда вытекает вторая важнейшая задача именно для Академии наук: как очистить воздух, используемый в топливных элементах, для того чтобы у них был ресурс.

Итак, проблемы безопасности и ресурса топливных элементов, на мой взгляд, должны обязательно учитываться в комплексной программе по водородной энергетике.

Водород можно получить разными способами — электролиз, пиролиз, радиолиз и химические реакции. Надо очень внимательно сравнить эти процессы, определить, что выгодно, а что невыгодно, поскольку от них, по сути дела, зависит коэффициент полезного действия всей этой системы.

Наконец, в каком виде водород использовать. Если просто газ без давления, то у него очень низкая калорийность, если под высоким давлением, то сделать это очень непросто. Криогеника тоже сложная вещь. Можно хранить водород в гидридах металлов, чтобы потом их нагревать и получать водород. Есть идея получать водород в момент использования и его не хранить. Нельзя забывать о взрывоопасности водорода. Следует также убедиться, что при горении водорода в воздухе не образуются опасные соединения азота.

Хочу также отметить, что, используя водород и углерод, можно нарабатывать газообразные и жидкие углеводородные топлива. Водород дает возможность получать из мазута высококачественное топливо.

Мне кажется, нужно спокойно и взвешенно составить большую программу работы с водородом.

Очень часто интерес у промышленности появляется тогда, когда после фундаментальных исследований возникает абсолютно новая идея. В частности, в 2002 г., когда мы работали вместе с «АвтоВАЗом» и с г. Саровом над созданием топливного процессора для автомобиля, в ходе испытаний было предложено получаемую в процессоре очень дешевую смесь водорода и угарного газа направить прямо в двигатель внутреннего сгорания через карбюратор, вдобавок к обычному бензину. Оказалось, что эта добавка к бензину дает тот же самый результат, который ожидают от топливных элементов вообще, то есть вредные выхлопы двигателя уменьшились на полтора порядка. Становятся ненужными дожигатели автомобильных выхлопов. И, что самое существенное, — на холостом ходу кпд двигателя повысился в полтора раза, потому что водород и угарный газ резко стабилизировали работу всего двигателя системы. Аналогичные эффекты недавно были получены на газовых турбинах. Итак, если комплексная программа предоставит возможность проведения фундаментальных и поисковых исследований, то вполне реальны практически значимые «находки», которые и ожидаются от Академии наук.

Несколько слов относительно благородных металлов. В поставленной задаче есть некий казус. В советские годы на Институт катализа, который я возглавляю, со стороны правительства оказывалось большое давление, чтобы мы в промышленных катализаторах обеспечили замену благородных металлов на неблагородные, что нам и удалось. Нельзя сказать, что это очень просто, потому что у благородных металлов каталитические свойства обычно намного лучше, чем у кобальта, никеля и других неблагородных металлов. Сейчас задача ставится совсем иная — сделать так, чтобы благородные металлы нашли намного больший рынок сбыта. Я сразу хотел бы обратить внимание на то, что в нашей стране наиболее интересный рынок для использования благородных металлов предоставит не химическая промышленность, а реформируемое жилищно-коммунальное хозяйство, базой которого должна стать автономная энергетика. Малые котельные, оснащенные катализаторами на основе палладия, не будут дымить и по экологическим показателям будут соответствовать лучшим мировым стандартам.

Несколько слов о палладии как таковом. Конечно, велика роль палладия как основы катализаторов. Палладий чуть дороже кобальта и никеля, но одновременно он более эффективен. Значит, надо найти способы использовать не слишком большое количество палладия, что всегда можно сделать, например, нанося тонкие слои, содержащие палладий, на кремнеземы. Тогда открывается целое поле тяжелого и тонкого органического синтеза той гаммы функциональных продуктов, которые производятся промышленностью очень давно.

Особенно мне хотелось бы обратить внимание на возможность применения палладия в масложи-ровой промышленности. До сих пор при гидрировании растительных жиров используются соединения никеля. И вот ведь как Господь Бог устроил: палладий и его соединения в гораздо большей степени биосовместимы с организмом человека, чем никелевые соединения. Между тем продукты пищевой промышленности невозможно идеально очистить от остатков катализатора. Если катализаторы палладиевые, то продукты пищевой промышленности могут пройти сертификационные барьеры, если — никелевые, то сертификационные требования очень жесткие.

И, наконец, палладийсодержащие лекарственные вещества. Есть очень хорошая программа по разработке лекарства для лечения онкологических заболеваний, которую «Норильский никель» уже запустил вместе с Институтом общей и неорганической химии РАН и с Институтом биохимической физики РАН. Некоторые лекарства уже прошли клинические испытания, которые показали, что палладийсодержащие препараты эффективнее, чем системы с платиной.

Конечно, палладий находит широкое применение и как легирующий металл для конструкционных материалов. Если в конструкционном материале содержится до 1-3% палладия, то резко повышается его сопротивляемость охрупчиванию, улучшаются важные механические свойства, и этот материал может быть экономически выгодным.

Тема сегодняшнего заседания Президиума РАН определена как «Водородная энергетика и топливные элементы», хотя это отнюдь не синонимы. В докладе были затронуты разнообразные вопросы, но мы, конечно, понимаем, что акцент делается на выгоде использования палладия в топливных элементах. Кстати говоря, мне понравилось выступление Михаила Дмитриевича Прохорова, который сказал, что это первая задача предлагаемой программы — протянуть цепочку от фундаментальных исследований к опытно-конструкторским работам. И только после анализа современных водородных технологий следует создавать программу по водородной энергетике в целом.

Должен заметить, что уже подписано международное соглашение о партнерстве по водородной экономике, но не по водородной энергетике. Это действительно будущая линия применения водорода в самых различных областях, а также производство и обращение с водородом. Наверное, правильно было бы сделать отечественную программу по водородной энергетике или экономике, которая включила бы в себя аспекты проблемы, а в соглашении с компанией «Норильский никель» следовало бы сосредоточиться на топливных элементах.

Теперь более конкретно о производстве водорода. Мы прекрасно понимаем, что нынешнее его производство основано на сжигании природного газа и конверсии метана. Мы предлагаем использовать энергию ядерных реакторов в производстве водорода, тогда мы можем сэкономить около половины потребляемого природного газа. Но, конечно, светлая мечта будущего — это производство водорода из воды с применением энергии ядерных реакторов. Тогда действительно мы приходим к чистой энергетике.

В Соединенных Штатах, которые сейчас будируют волну водородной экономики, обсуждается решение о строительстве реактора для производства водорода. И на это предполагается выделить около 1 млрд. долл. В одной из команд, которая претендует на создание такого реактора, участвуют российские организации — ОКБ машиностроения и Курчатовский институт. Пока мы нацелены на то, чтобы в 2015 г. такой реактор заработал. Думаю, что проблемы производства водорода должны быть полнее отражены в комплексной программе.

Вопрос о водородной безопасности, уже поднимавшийся здесь академиком В.Е. Фортовым, чрезвычайно важен на всех этапах производства, обращения с водородом и его использования. В России имеется очень большой опыт — и в теоретическом и в конкретном экспериментальном плане — детонации различных смесей, перехода из горения в детонацию и т.д. Эти проблемы разрабатываются в Курчатовском институте совместно с институтами Академии наук. В Курчатовском институте проводятся и работы по топливным элементам, изучается возможность производства из органических топлив водорода, который будет использоваться непосредственно на борту автомашины, а также на автозаправочных станциях. Сегодня мы только начали обсуждать водородную экономику, и, наверное, программу надо построить так, чтобы в конечном счете Россия, имея очень хорошую базу, заняла в этом деле достойное место.

Одно замечание о том, что произошло в Чернобыле. Действительно, был ядерный разгон на мгновенных нейтронах, перегрев, образование пара и далее — пароциркониевая реакция, которая дала водород. Он также повлиял на взрывной процесс в реакторе. Кстати говоря, в чернобыльском реакторе произошел один из химических процессов, который позволяет получать водород из воды.

Хочу обратить внимание присутствующих на то, что жидкий водород — это криогенная жидкость, температура которой 20 К. И когда мы создаем соответствующую арматуру, делаем систему управления и регулирования, возникает целый ряд проблем, обусловленных криогенным состоянием рабочего тела. Поэтому в программу по водородной энергетике, которая сейчас верстается, очень важно включить вопросы, связанные с хранением, транспортировкой и созданием устройств для обеспечения работоспособности водородных систем. Это и баки, и арматура. Они имеют очень важное значение для получения работоспособной машины. Существенные достижения в этой области имеются в Самарском научно-техническом комплексе им. академика Н.Д. Кузнецова, в Самарском аэрокосмическом университете и в НПО «Энергия». Достаточно хороший опыт накоплен и в Волжском филиале НПО «Энергия».

Если следовать принципу «перегонять, не догоняя», считаю нужным упомянуть о совершенно уникальной разработке, которая сделана профессором С.Д. Варфоломеевым. Он предложил новый принцип создания топливных элементов на основе биокатализа. Созданный макет водород-кислородного элемента, в котором применяются доступные и дешевые иммобилизованные ферменты, позволяет достичь кпд до 95%. Более того, показана принципиальная возможность использования в качестве энергоносителей в таких системах этанола, углеводов и даже металлического алюминия. Комиссия по научно-технической политике при Правительстве Москвы рекомендовала эту работу для включения в план развития науки и технологий г. Москвы. Уже начато ее частичное финансирование. Работа ведется совместно с рядом американских компаний при финансовой поддержке Правительства Москвы.

Конечно, очень важно наполнить предлагаемую комплексную программу по водородной энергетике разработками, которые есть в академических институтах, и расширить состав совета по программе. С моей точки зрения, совету был бы очень полезен академик А. С. Коротеев — энтузиаст водородной энергетики, возглавляющий Исследовательский центр им. М.В. Келдыша. Что касается интересных разработок, то они есть в Институте проблем химической физики. Институте органической химии и во многих других. В частности, в Институте органической химии предложены методы очистки водорода от примеси отравляющих газов, хранения водорода с использованием принципа сопряжения реакций гидрирования и дегидрирования. Мне представляется, что они будут полезны при выполнении комплексной программы и последующей реализации полученных результатов.

Напомню, Норильские месторождения были открыты представителями Академии наук, занимавшимися изучением полярных районов нашей страны. И когда в 60-х годах прошлого века возникла критическая ситуация с сырьевой базой на Норильском комбинате, именно благодаря работе академических институтов и Норильской экспедиции Министерства геологии были открыты новые месторождения и практически решена задача обеспечения высококачественными минеральными ресурсами Норильского комбината. Успех открытия в немалой степени обеспечила созданная в то время теория формирования месторождений этих уникальных полиметаллических руд.

Норильские месторождения — единственный в мире феномен. До сих пор открыть где-либо такие же месторождения пока никому не удается, несмотря на то, что эти месторождения посещали практически все ведущие геологи мира. Более того, здесь неоднократно проводились экскурсии участников платиновых конгрессов, проводившихся в нашей стране.

Учитывая конечность ресурсов палладия, я бы предложил Михаилу Дмитриевичу Прохорову проанализировать возможности использования отходов Норильского комбината. Такой анализ поможет и решению экологических проблем. На Норильском комбинате можно расширить применение новейших способов ведения горных работ, добычи и обогащения руд, в том числе радиометрической сортировки и выщелачивания металлов, позволяющие полнее использовать ресурсы и одновременно решить экологическую проблему. К сожалению, долговременное использование богатых сульфидами руд, без надлежащей защиты окружающей среды, привело к уничтожению растительного покрова на огромной площади Северной Сибири. Именно поэтому очень важно решать проблемы Норильска в комплексе.

Теперь по поводу ресурсов водорода. Как известно, ресурсов природного газа у нас пока достаточно. Из природного газа можно получать водород. Мы за прошедшее столетие и за первые три года нынешнего использовали лишь 7% первоначальных разведанных и так называемых прогнозных ресурсов природного газа. В топливном балансе страны газ сегодня составляет более 50%, но, несмотря на это, природный газ еще долго не будет сдерживающим фактором развития традиционной энергетики.

Несколько слов об экспериментальной лабораторной технике, которая в свое время была приобретена Норильским комбинатом для одного из наших институтов (Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН). Речь идет об электронных микрозондах и микроскопах, широко используемых для изучения состава руд, форм нахождения полезных элементов в минеральных видах, их распределении в продуктах переработки руд на всех этапах — от исходного сырья до так называемых хвостов — отходов производства. Без такой техники двигаться дальше в технологических новациях невозможно. Необходимы приборы новых поколений, хотя и прежние пока еще, спасибо «Норильскому никелю», после ремонта используются для решения более простых задач.

Полагаю, что главный результат сегодняшнего обсуждения заключается в том, что в разрабатываемую программу должен быть включен весь перечень необходимых фундаментальных и прикладных исследований в области водородной энергетики, включая не только топливные элементы, но и ресурсные и экологические проблемы. Для их успешного решения, по-видимому, следует более активно привлечь к работе над программой отраслевые институты различных ведомств.

После всех выступлений ведущий заседание Президиума РАН президент РАН академик Ю.С. Осипов предоставил слово академику Г.А. Месяцу для ответа на прозвучавшие замечания и пожелания.

Академик Г.А. Месяц: Уважаемые коллеги, огромное спасибо за высказанные вами замечания и пожелания. Я чувствую, что интерес к проблеме очень большой и абсолютно согласен с тем, что продвижение вперед возможно только на основе серьезных фундаментальных разработок. Самая главная проблема, которую мы должны в результате фундаментальных работ решить, -это увеличение срока службы топливных элементов и их удешевление. А стоимость определяется тем, какой металл используется, как получается водород и какой топливный элемент применяется. Думаю, институты Академии наук располагают довольно большими возможностями для решения всех этих задач.

Я полностью согласен с тем, что здесь говорилось о безопасности водородной энергетики. Но почти половина программы направлена на то, чтобы водород получать прямо там, где он будет использоваться. Тогда проблем хранения водорода в баллонах и транспортировки просто не будет. В Институте высокотемпературной электрохимии созданы высокотемпературные топливные элементы на метане или природном газе, который прямо внутри системы преобразуется в водород. И, как меня уверяют, безопасность и мощность подобных установок примерно такая же, как у газовой плиты, которая работает во многих наших квартирах. Так что я бы не стал слишком переоценивать опасность применения водородной энергетики.

Если говорить о конкретных задачах, которые мы ставим на ближайшее время, то это — автономная водородная энергетика.

Теперь об организации работ. Поскольку предлагается программа Российской академии наук и компании «Норильский никель», естественно, Совет по программе состоит из сотрудников РАН и представителей «Норильского никеля». Но для достижения цели мы должны использовать не только результаты Академии наук.

Состав участников определится после подписания договора. Разумеется, к работе будут привлекаться организации и институты, имеющие хорошие результаты в области водородной энергетики. Думаю, что комплексная программа, которая сейчас будет подписана, позволит уже в рамках хоздоговорных работ фактически учесть высказанные здесь замечания.

Должен сказать, что по существу программа обсуждалась очень обстоятельно. Восемь-девять членов Академии наук рассматривали ее, все основные исполнители с ней знакомились и внесли свои изменения в проект, предложенный «Норильским никелем». Кстати, в компании хорошо поставлена информационная служба. Полагаю, что сотрудничество с такими партнерами будет плодотворным.

Академик Ю.С. Осипов: Мы с вами все последние годы сетовали на то, что нет интереса у крупного бизнеса, у нашей промышленности к науке, нет востребованности результатов фундаментальных исследований. Сегодня мы впервые ощутили явный интерес крупнейшей промышленной компании нашей страны именно к фундаментальным разработкам. Разумеется, речь идет не просто о фундаментальных разработках, а о том, как в результате этих разработок создать коммерческий продукт, который закрепил бы Россию в числе лидеров в определенных научно-технических направлениях. Конечно, в области водородной энергетики и топливных элементов в стране очень многое делалось. Периоды подъема интереса к этой проблеме сменялись периодами спада, но сейчас нам предоставлен очередной уникальный шанс довести работу до логического конца. Но технологический прорыв, как правильно отметил Жорес Иванович Алферов, возможен только тогда, когда происходит прорыв в фундаментальных исследованиях.

Теперь конкретно о программе. Мы с Михаилом Дмитриевичем Прохоровым обменялись соображениями, и думаю, было бы правильно поступить следующим образом. Программу, которая сейчас подготовлена, взять за основу нашего совместного сотрудничества, а дальше нужно вносить коррективы. Для этого существует Совет по программе, его состав мы уточним в рабочем порядке вместе с «Норильским никелем». Именно совет будет вносить конкретные изменения и дополнения в комплексную программу. Разумеется, все прозвучавшие на нашем заседании предложения будут в ней учтены. Программа должна быть не застывшим документом, а документом, отражающим наше понимание приоритетов по мере продвижения всей этой громадной работы.

Президент РАН академик Ю.С. Осипов и генеральный директор — председатель Правления О АО «Горно-металлургической компании «Норильский никель»» М.Д. Прохоров подписали Комплексную программу поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам между Российской академией наук и ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»».

Президиум Российской академии наук и Правление ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»» одобрили Генеральное соглашение о совместном сотрудничестве, Комплексную программу поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам, а также программу прикладных исследований по расширению направлений промышленного использования палладия, металлов платиновой группы и цветных металлов, производимых компанией «Норильский никель». Утвержден Совет по реализации Комплексной программы поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам (председатель совета академик Г.А. Месяц). В него вошли представители Российской академии наук и ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель»».

Материалы обсуждения подготовила к печати Т.В. Маврина

Устройство водородного топливного элемента

Топливный элемент — устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

История появления

В 1950—1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета — электричество, воду и тепло.

Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века — в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.

Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные способы получения электроэнергии. Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.

Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории — высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Общие понятия

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.

Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов — катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.

Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

Повышенная удельная теплоемкость.
Широкий температурный диапазон эксплуатации.
Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
Надежность при холодном запуске.
Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
Длительный срок эксплуатации.
Бесшумность и экологичность работы.
Высокий уровень энергоемкости.
Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Область применения

Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:

Портативные зарядные устройства.
Энергоснабжающие системы для БПЛА.
Источники бесперебойного питания.
Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка — высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины — порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента — он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью — электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку — заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

Водородные топливные элементы.

Описание:

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов .

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

– надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

– высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

– длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

Применение:

– системы энергоснабжения для БПЛА,

– портативные зарядные устройства,

– источники бесперебойного питания,

– другие устройства.

водородный топливный элемент
водородный топливный элемент купить
водородно воздушные топливные элементы
водородные топливные элементы автомобилей
кислородно водородный топливный элемент
водородный топливный элемент своими руками
работа водородного топливного элемента
водородная энергетика топливные элементы
принцип работы водородного топливного элемента
водородные топливные элементы принцип работы и устройство
топливные водородные элементы ячейки
водородный топливный элемент цена
моделирование водородного топливного элемента
водородно воздушные топливные элементы купить
водородные топливные элементы развитие

Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.

Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно — рассмотреть (конечно, не во всех аспектах — объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей.

— Какое топливо заменит уголь?
— Bода, — ответил инженер.
— Вода? — переспросил Пенкроф. — Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
— Да, но вода, разложенная на составные части, — пояснил Сайрес Смит. — Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия — таков непостижимый закон — следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга.
Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо: водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Hacтупит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей.

Ж. Верн, «Таинственный остров»

От водорода — к топливным элементам

И все-таки — почему именно водород? До сих пор основными источниками энергии служили ископаемые углеродсодержащие топлива (уголь, нефть, газ). При их сжигании углерод окисляется кислородом воздуха, образуя всем известный углекислый газ (СО₂). Многие считают, что именно он наравне с другими так называемыми парниковыми газами несет ответственность за потепление климата в последние десятилетия, грозящее нам экологическими катастрофами.

А что, кроме энергии, получается при соединении кислорода и водорода? Правильно — обыкновенная вода! Представьте себе автомобиль на водородном топливе — что может быть чище и безопаснее для окружающей среды? Единственное, но существеннейшее препятствие для использования водорода в качестве энергоносителя заключается в том, что в свободном состоянии его в природе практически НЕТ. Поэтому для создания водородной энергетики в первую очередь необходимы технологии, позволяющие наладить крупномасштабное производство водорода, а также его хранение и транспортировку. Второе, но не менее важное условие — создание промышленных энергоустановок нового поколения, в которых в качестве топлива будет использоваться водород.

Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым — водородом. Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.
Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно — рассмотреть (конечно, не во всех аспектах — объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей

Но вернемся к водороду. Нелишне заметить, что водород и водородсодержащий газ (так называемый синтез— газ) традиционно широко применяются в различных отраслях экономики: химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, радиоэлектронной, даже в пищевой промышленности (например, гидрированием растительных масел получают твердые жиры, маргарины).

Что же касается новых применений водорода, то при добавлении водорода или синтез-газа к обычным топливам можно получить немалый выигрыш даже при использовании их в обычных двигателях внутреннего сгорания или в газовых турбинах. В результате такого «облагораживания» топлива увеличивается КПД работы энергоустановок и улучшается состав выбросов.

Один из отцов водородной энергетики, президент Международной ассоциации по водородной энергетике Т. Н. Везирогли (США) даже утверждал, что спустя несколько десятилетий мы будем называться «водородной цивилизацией». И для такого утверждения есть все основания. Так, в 2000 г. общее производство водорода составило примерно 50 Мт, а оптимистические прогнозы на 2100 г. дают цифры примерно в 20 раз больше! В этом месте вдумчивый читатель должен уже впасть в недоумение и спросить: откуда и каким образом эти мегатонны должны появиться, если практически весь водород на планете находится в связанном виде? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, познакомимся с тем, что скрывается за понятием топливный элемент.

Топливные элементы: «за» и «против»

Топливным элементом называют электрохимическое устройство, позволяющее превращать химическую энергию топлива в электроэнергию непосредственно, минуя процесс горения и механические преобразования типа сжатия и расширения. Помимо электричества топливный элемент, конечно, генерирует тепло.

Все типы топливных элементов устроены практически одинаково. Они представляют собой гальванические ячейки, в которых соответственно есть электролит и электроды — анод и катод. Электроэнергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне.

Если на анод топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом подавать топливо (например, водород), а на катод — воздух или кислород, то на аноде будет протекать реакция разложения водорода на протоны и электроны. Протоны переносятся через электролит к катоду, где соединяются с кислородом, образуя воду, которая в виде пара выбрасывается наружу. Электроны же двигаются от анода к катоду по внешней цепи и, естественно, генерируют электрическую энергию.

Достоинств у топливных элементов много: высокий КПД (по сравнению с обычными источниками электроэнергии), низкая токсичность выбросов, бесшумность, модульная конструкция. Недостаток на сегодня один, но существенный: высокая стоимость.

КПД топливных элементов рассчитывается как отношение величины полученной электрической энергии к теплу, которое выделяется при сжигании топлива. И теоретически для некоторых окислительно-восстановительных реакций, протекающих в топливном элементе, он может быть больше единицы, хотя реально это никогда не достигается.

Почему же два понятия — водород и топливные элементы — постоянно встречаются рядом? Ответ прост: именно водород является для последних лучшим, к тому же — экологически чистым топливом. Все остальное преобразуется в них менее эффективно. Так что водородное топливо и топливные элементы представляют собой «неразлучную пару» с большим будущим. И с позиций энергетики выигрыш здесь очевиден, поскольку того же ископаемого топлива в «водородном виде» на производство энергии в энергоустановках на топливных элементах будет расходоваться существенно меньше, чем в традиционных.

Заправь ноутбук метанолом

Топливные элементы классифицируются по природе электролита. Например, щелочные, где электролитом является раствор щелочи, или твердополимерные, в которых электролитом «работает» полимерная протонпроводящая мембрана. В качестве топлива в твердополимерных топливных элементах может использоваться метанол. Его тоже можно окислять, хотя и менее эффективно, чем водород. Метанольные топливные элементы, по-видимому, наиболее перспективны для электропитания портативных устройств: ноутбуков, фотоаппаратов, сотовых телефонов и т. п.

Известны также фосфорно-кислотные топливные элементы, где электролитом является фосфорная кислота; твердооксидные топливные элементы, в которых в качестве электролита выступает керамика на основе диоксида циркония; и, наконец, расплав-карбонатные топливные элементы, где электролитом служит расплав карбонатов калия и лития. Рабочая температура для разных типов топливных элементов также различна. Так, твердополимерные топливные элементы работают при 80—100 °С, а два последних типа — в области очень высоких (650—1000 °С) температур.

Особенность всех типов топливных элементов заключается в небольшой величине напряжения, которое снимается с единичного элемента — обычно меньше одного вольта. Чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют в батарею. Однако даже батарея топливных элементов не является устройством, которое можно использовать в промышленности или в быту для получения электроэнергии. Сделать это можно только с помощью электрохимического генератора, представляющего собой батарею топливных элементов вместе с системами, обеспечивающими ее работу: управления, поддержания тепла, подготовки топлива (т.е. перевода любого топлива в водородсодержащий газ) и др.

КПД современных топливных элементов составляет 40—60 %, причем максимум, как уже говорилось, достигнут в устройствах на водороде. Если в качестве первичного топлива используется метан, КПД падает — из-за того, что часть энергии тратится на конвертирование метана в водородсодержащий газ. Кстати сказать, если в системе предусмотрена рекуперация (возвращение) тепла, то суммарный КПД, естественно, возрастает на 20—30 %.

В итоге уже реально получен КПД около 70 % — не правда ли, впечатляюще? При сравнении КПД топливных элементов и других современных энергоустановок (микротурбин, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, ТЭЦ, дизелей и т. д.) убеждаешься, что в области низких мощностей конкурировать с топливными элементами ничто не может. Это — идеальный вариант в случае рассредоточенной или автономной энергетики, идея которой становится все более и более популярной в обществе — особенно после катастрофических системных энергетических аварий последнего времени.

Где взять водород?

Убедившись в достоинствах топливных элементов, снова возвращаемся к водороду как лучшему для них энергоносителю. Поскольку в природе свободного водорода нет, его надо каким-то образом получать. Принцип получения в целом прост: берете водородсодержащее вещество, прикладываете к нему энергию (в идеале — из возобновляемых источников) и — пожалуйста! Источников и путей получения водорода существует несколько. В первую очередь, это ископаемые и синтетические топлива. Примерно 50 % водорода сегодня получают из природного газа, около 30 % — из нефти. А еще есть уголь, биомасса, вода, в конце концов.

Но вот на следующем этапе появляется одно немаловажное но: существуют немалые трудности с хранением, аккумулированием полученного водорода и перезаправкой им энергетических устройств. Одно из решений этой проблемы состоит в получении водорода непосредственно рядом с энергоустановкой в устройстве, названном топливный процессор.

Вопрос о стоимости водорода сегодня непростой, поскольку он не является биржевым продуктом, да и процесс его получения пока еще слишком материало- и энергоемкий. Соответственно цена водорода на сегодняшний день договорная и высокая. Согласно оценкам Министерства энергетики США, к 2010 г. цена за водород будет составлять от 1,5 до 2,9 доллара за килограмм. Для сравнения: теплотворная способность 1 кг водорода равна примерно таковой 1 галлона (около 4 л) бензина. Поэтому для развития водородной энергетики крайне важно в ближайшее время научиться эффективно получать водород и синтез-газ из наиболее дешевого и доступного сырья — природного газа. (К слову: наша страна обладает примерно 40 % его потенциальных мировых запасов.)

На примере природного газа можно рассмотреть и общую схему подготовки углеводородного топлива для использования в топливных элементах. Первая стадия осуществляется при высокой температуре. Это каталитические реакции парциального окисления либо паровой и автотермической конверсии природного газа. В результате получается синтез— газ — смесь водорода и оксида углерода (СО). Этот газ уже можно использовать в качестве топлива для высокотемпературных топливных элементов, поскольку оксид углерода и водород при высоких температурах окисляются с высокой скоростью.

Для более низкотемпературных фосфорнокислотных топливных элементов синтез-газ уже надо очищать от СО, доводя его концентрацию до 1 объемного процента. В противном случае топливный элемент просто не работает: оксид углерода блокирует анод. Для еще более низкотемпературных (твердополимерных) топливных элементов требования к чистоте водорода очень жесткие: на 1 млн молекул водорода должно приходиться не более 10 молекул СО. Для столь глубокой очиcтки водородсодержащего газа используется каталитическая реакция селективного окисления СО в присутствии водорода, в результате чего образуется углекислый газ (СО₂), который в этом случае не мешает.

Таким образом, подготовка углеводородного сырья наиболее проста для высокотемпературных топливных элементов. А поскольку они имеют самый высокий КПД, да к тому же для их производства не требуются драгоценные металлы, очевидно, что именно за этим типом топливных элементов будущее автономной стационарной энергетики.

«Сибирский» катализ

Наш внимательный читатель мог заметить, что в статье наконец-то прозвучало слово каталитический. Произошло это неслучайно, поскольку действительно высокоэффективные технологии получения водорода и синтез-газа из природного углеводородного сырья во всем мире разрабатываются на основе и исключительно благодаря катализаторам.

Хочется отметить, что хотя целенаправленные работы в этой области начались в нашей стране на 10—15 лет позже, чем за рубежом, отечественная наука в этом плане является, безусловно, конкурентоспособной. Так, в новосибирском Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН разработаны высокоэффективные структурированные катализаторы для реакции парциального окисления метана в виде лент или блоков из термостойких металлических сплавов и керамики. На их основе созданы компактные реакторы для воздушной конверсии природного газа, обеспечивающие переработку около 4 м 3 метана в час на 1 л реактора.

Еще одна интересная разработка связана с реакцией паровой конверсии метана. Этот эндотермический процесс протекает при высоких температурах, поэтому часто лимитируется подводом тепла. Для решения проблемы была предложена «хитрая» система: с одной стороны металлической пластинки-катализатора идет реакция окисления метана с выделением тепла, с другой стороны – паровая конверсия. Тепло легко передается через пластинку, благодаря чему производительность реактора возрастает. На этом принципе при финансовой поддержке ОАО ГМК “Норильский никель” совместными усилиями специалистов Института катализа и Российского федерального ядерного центра ВНИИ эспериментальной физики (г. Саров) был создан первый топливный процессор для питания высокотемпературных топливных элементов.

Для портативных топливных элементов перспективным топливом считается боргидрид натрия. Реакция получения из него водорода — каталитическая. В том же Институте катализа разработаны блочные и гранулированные катализаторы, не уступающие лучшим мировым образцам, на основе которых совместно с московским Государственным научным центром РФ ГНИИ химии и технологии элементоорганических соединений уже созданы первые картриджи для питания портативных топливных элементов.

Как уже говорилось, для низкотемпературных топливных элементов требуется чистый водород, свободный как от оксида углерода, так и углекислого газа. Суть метода, предложенного сибирскими учеными, проста: если есть адсорбент, который будет поглощать в ходе паровой конверсии углеводородного топлива СО₂ и СО, то, естественно, на выходе будет получаться чистый водород. Ясно, что если один адсорбер-реактор будет работать на поглощение, а другой на регенерацию, можно организовать непрерывный процесс. Идея эта уже реализована: действительно, удается получать водород чистотой 99 %!

У института много и других перспективных разработок. Например, катализаторы для пиролиза метана с получением водорода без выбросов СО₂; мембранные реакторы, в которых природный газ окисляется кислородом, поступающим через специальную мембрану непосредственно из воздуха, и т. п. — упомянуть обо всех просто невозможно!

Как можно заметить, многие подобные разработки проводятся совместно с различными производственными компаниями, научными организациями и учреждениями, в том числе сибирскими. Роль Сибирского отделения РАН во многих областях, связанных с созданием водородной энергетики, может быть действительно велика. Это относится как к разработке новых технологий получения водорода и производства электрохимических устройств, так и к научному сопровождению промышленных технологий водородной энергетики, к участию в разработке прогнозов и программ российской энергетики. И, без сомнения, — к подготовке высококвалифицированных специалистов на базе Новосибирского государственного университета. Хочется думать, что и в дальнейшем российское энергетическое могущество будет прирастать Сибирью…

Не пароходы, но подводные лодки!

Подводя итог, можно констатировать, что водородная энергетика и топливные элементы как ее важнейшая часть весьма настойчиво стучатся в наши уже приоткрытые двери. Не исключено, что развитие водородной энергетики на базе топливных элементов будет одним из приоритетов мировой экономики в наступившем веке.

Многое для этого уже сделано, но предстоит еще больше. Смена энергоносителя — тернистый, длительный и капиталоемкий путь, на котором могут быть ошибки, но не должно быть «синдромов». Вспомним, как долго и трудно завоевывает место под солнцем атомная энергетика, доля которой в балансе топливно-энергетического комплекса до сих пор не превышает 7 %. Для достижения успеха на «водородном» пути нужны усилия химиков, физиков, математиков, материаловедов, энергетиков, экономистов — в конечном итоге всех землян!

Что уже сейчас есть в мире? Пока примерно 50 МВт — это вся установленная мощность реально существующих электрохимических генераторов. В демонстрационных испытаниях участвует не менее 100 компаний, но готового коммерческого продукта на этом рынке до сих пор нет.

Потребности же в энергетических установках на водороде неуклонно растут. Например, уже сейчас фактически нет ни одной автомобильной компании, которая не занималась бы разработкой автомобиля на топливных элементах. Уже созданы не только автобусы, ноутбуки, сотовые телефоны, но даже подводная лодка, использующая водородное топливо. Вот таким образом в XXI веке претворилась в жизнь мечта Жюля Верна!

Поток информации по водородной энергетике и топливным элементам сейчас нарастает лавинообразно — даже специалистам порой трудно следить за всеми новинками: более 10 периодических специализированных научных журналов, более 5 представительных ежегодных конференций, выставки, многочисленные веб-сайты. Читайте, анализируйте, делайте выводы, а время покажет, насколько пророческой оказалась мысль великого «технократического» романтика.

Уравнение превращений водорода в топливном элементе

Топливный элемент является важной составляющей водородной энергетики. В данной статье будут рассмотрены основные принципы данной технологии, варианты ее реализации и флагманы индустрии

Топливный элемент представляет собой электрохимический источник электрического тока, осуществляющий превращение химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия, минуя малоэффективную и идущую с большими потерями стадию горения топлива, и обладающие практически нулевыми выбросами вредных веществ в окружающую среду [1,2,3,4].

Проще можно сказать, что ТЭ – это объединение в одном устройстве батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую и теплового двигателя, которому нужно непрерывно подавать топливо и окислитель (воздух). Поэтому иногда ТЭ называют электрохимическими генераторами. Отличия ТЭ от гальванической батареи в том, что изначально батарея заряжена, т.е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется, и батарея разряжается. В отличие от батареи ТЭ для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника. На рис.1 представлена схема работы ТЭ.

Топливный элемент: принцип работы

ТЭ состоит из анода, катода и электролита, что позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам — аноду и катоду, а инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления непрерывно отводятся от них. При работе ТЭ электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. В ТЭ, используются чистый водород и кислород, поэтому на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом, и возникает вода. Фактически в этом и состоит главное экологическое преимущество: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Как и любой другой источник электроэнергии, ТЭ, характеризуется напряжением, мощностью и сроком службы. Из-за омического сопротивления электродов и электролита и поляризации электродов напряжение ТЭ оказывается ниже рассчитанной ЭДС. Поляризация электродов связанна с замедленностью протекания процессов на межфазной границе и возрастает с увеличением плотности тока, согласно уравнению:

где j– плотность тока (А/см 2 ), I – сила тока (А), S – площадь поверхности электрода (см 2 ). Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

I. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ: КАКОГО ТИПА ОН МОЖЕТ БЫТЬ?

На схеме представлена классификация типов ТЭ в зависимости от электролита:

Основные типы топливных элементов: ТОТЭ – твердооксидный ТЭ; КРТЭ – расплавкарбонатный ТЭ; ТПТЭ – ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной; ФКТЭ – фосфорнокислый ТЭ; ЩТЭ – щелочной ТЭ

Важной характеристикой разных типов ТЭ является рабочая температура. Часто именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков и портативных устройств, поэтому для этого разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, которые работаю при низких температурах. Однако на сегодняшний день твердополимерные ТЭ стоят дорого. Высокая цена ТПТЭ связана с дороговизной материалов, а также из-за высокой стоимости топлива – водорода.

Рассмотрим более подробно различные типы ТЭ и принципы их действия.

Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Проводником для ионов ЩТЭ является раствор гидроксида калия (KOH), который имеет высокую электропроводимость. В таких ТЭ используется недорогостоящий катализатор, и они имеют высокую эффективность. В зависимости от содержания щелочи такой ТЭ может функционировать в диапазоне температур от 65°С. Катализатором могут служить благородные металлы, никель и сложные оксиды.

Щелочной топливный элемент. Схема работы

Фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ)

В ТЭ на основе ФКТЭ в роли электролита выступает раствор фосфорной кислоты (H₃PO₄). Электродом является бумага, которая покрыта углеродом, по которой рассеян платиновый катализатор. ТЭ работает при температуре 150- 200°С.

Топливный элемент на основе ортофосфорной кислоты. Схема работы

Недостатком являются высокие температуры работы ТЭ и КПД всего 55 %, однако если использовать пар образующийся во время работы, то можно достигать КПД до 80%.

Расплавкарбонатные топливные элементы (РКТЭ)

В ТЭ на основе РКТЭ электролитом является расплав смеси карбонатов щелочных металлов в керамической матрице. ТЭ этого типа работают при температурах 600-700°С. Высокая температура позволяет использовать топливо в РКТЭ напрямую без какой-либо дополнительной его подготовки, а никель в качестве катализатора. Достоинством является: отсутствие платины (катализатором может использоваться никель), КПД примерно 65%, в роли топлива выступает водород, природный газ, иногда дизельное топливо.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом. Схема работы

Недостатком является: небольшой срок службы, который ведет за собой высокие расходы, и высокую стоимость. Для запуска КРТЭ требуется значительно времени из-за этого не получается оперативно регулировать выходную мощность, поэтому в основном они применяются для крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

В ТЭ на основе ТОТЭ электролитом является плотная керамическая мембрана, сделанная из оксида циркония и оксида кальция, но иногда используются и другие оксиды. Внешне эти элементы выглядят как трубки или плоские платы, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. ТЭ этого типа работают в диапазоне высоких температур от 600 до 1000°C. Из-за высоких температур в ТОТЭ используется неочищенное топливо, и так же, как и в РКТЭ применяется для производства тепловой и электрической энергии.

Твердооскильный топливный элемент. Схема работы

Среди разнообразных типов ТЭ наиболее перспективными на наш взгляд для энергообеспечения разнообразных малогабаритных устройств являются ТЭ с протонообменной полимерной мембраной.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТПТЭ)

Как говорилось ранее, одной из важнейших характеристик ТЭ является температура. Эти ТЭ функционируют при достаточно низких рабочих температурах (40…60 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов – высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Кроме того, при температурах до 100 °C платина, используемая как катализатор на электродах, «отравляется» в присутствии СО, CH4, поэтому требуется высокоочищенное топливо.

ТПТЭ использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (PEM). Иногда в литературе говорят, твердотельный ТЭ. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо – водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель).

При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2H₂→4H + + 4e –
на катоде: O₂ + 4H + + 4e →2H₂O
Суммарная реакция: 2H₂ + O₂→2H₂O

Рассмотрим принцип действия этого ТЭ. Полимерная мембрана, используемая в качестве электролита, помещена между анодом и катодом. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции:

Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции:

Протоны движутся через электролит на катодную сторону. Устройство ТПТЭ показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.

Ионообменная мембрана «Nafion». Строение и свойства

В качестве «электролита» ТПТЭ используется пленка – полимерная электролитная мембрана (ПЭМ), с торговым названием мембрана «Nafion», запатентованная фирмой DuPont в 1966 г. Позднее аналогичные ПЭМ стали выпускаться и в России под названием МФ-4СК [5].

Мембрана состоит из огромных молекул полимера, которые представляют собой разветвленные фторуглеродные цепочки, оканчивающиеся сульфонными группами [–SO₃]. Фторуглеродная цепочка обладает гидрофобными свойствами, а сульфонные группы — гидрофильными, которые могут взаимодействовать с водой, что дает возможность протонам свободно двигаться по полимеру (отсюда второе название «протонпроводящая мембрана»). В зависимости от степени полимеризации фторуглеродных фрагментов и концентрации сульфонных групп мембрана может иметь различный химический состав. На рисунке ниже приведено строение полимера «Nafion».

Строение молекулы полимера «Nafion»

Мембрана представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2–7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение, функционирующее как электролит: разделяет электроды и проводит заряженные ионы в присутствии воды. Структура мембраны «Nafion» активно изучается, с целью контроля и улучшения ее свойств. В настоящий момент нет единой точки зрения на устройство мембраны ПЭМ, наиболее распространенной структурной моделью «Nafion» является модель Гирке, представленная на рисунке ниже.

Наиболее распространенная структурная модель «Nafion»

Фторуглеродная основа полимера Согласно этой структуре можно сказать, что электролит является двухфазным. Основа полимера (гидрофобная фаза) состоит из фторуглеродных и эфирных цепей, расположенных в пространстве таким образом, что функциональные сульфогруппы группируются внутри сферических полостей диаметром порядка 4 нм. Система связанных узкими каналами полостей (1 нм), содержащих гидратированные катионы, представляет собой вторую, гидрофильную фазу мембраны.

Мембрана «Nafion» обладает следующими достоинствами: — высокая ионная проводимость; — устойчивость к химическому воздействию (согласно DuPont, только щелочные металлы (в частности, натрий) могут ухудшить работу «Nafion») при нормальной температуре и давлении; — проницаемость для воды.

Недостатком является то, что мембрана работает в узком интервале температур от 60 до 90°С, при температуре выше 140°С начинается ее деструкция. Также к недостаткам можно отнести высокую рыночную стоимость материала в силу ее монопольного производства фирмой DuPont.

Поскольку до сих пор не удалось установить точную структуру мембраны, в силу того, что возникает трудность несовместимости растворенной и кристаллической структуры среди различных ее типов, право на существование имеют другие теории/модели строения мембраны «Nafion».

МАТЕРИАЛЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГДС ТПТЭ

Одним из компонентов твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) являются биполярные пластины с каналами на каждой из сторон, предназначенными для распределения реагентов по поверхности электрода. На рис.10 показан поперечный разрез малого участка такого ТПТЭ [6]. В центре ТПТЭ находится мембрана, покрытая с каждой стороны слоем катализатора, имеются два диффузионных слоя (ГДС) толщиной примерно 200 мкм, изготовленных из углеродного материала и охватывающих мембрану сверху и снизу. Эти слои прилегают к двум секциям биполярных пластин, анода и катода. Каналы охлаждения соседствуют с воздушными каналами в катодной пластине. Область между каналами подачи реагентов состоит из островков, или, как их еще называют, ребер. Следовательно, около половины поверхности электрода приведено в контакт с островками, и около половины – с каналами. Роль диффузионного слоя заключается в том, чтобы с наименьшими потерями напряжения перенести потоки реагентов из области каналов и островков в область, насыщенную катализатором. Хотя основной ток идет через ту часть ГДС, которая соприкасается с островками, эффективная ГДС должна обеспечить однородное распределение тока в каталитическом слое.

Газодиффузионный слой (ГДС) (Gas Diffusion Layer (GDL)) необходим для осуществления токосъема, подвода исходных реагентов и отвода продуктов реакции. ГДС обычно изготавливают из углеродной бумаги или углеродной ткани, которые представляют собой пористые структуры. Благодаря наличию пор газообразные реагенты беспрепятственно проникают к каталитическому слою. Также поры служат для отвода продуктов реакции (воды) из катодной области. Поскольку углерод является электронным проводником, ГДС служит одновременно и токовыми коллекторами.

Рассмотрим подробнее, ГДС имеет несколько характерных функций:
· Обеспечение проницаемости реагентов – газы должны поступать из каналов в каталитические слои, включая прохождение газов внутри диффузионного слоя в области возле островков;
· Обеспечение проницаемости продуктов реакции: должно осуществляться удаление образовавшейся воды из каталитического слоя в каналы, включая внутрислоевую проницаемость для отвода воды из областей возле островков;
· Обеспечение электронной проводимости: прохождение электронов от биполярных пластин в каталитические слои, включая внутрислоевую проводимость в области возле каналов;
· Обеспечение теплопроводности: эффективный отвод тепла от МЭБ к биполярным пластинам, в которых есть каналы для охлаждения
· Обеспечение механической прочности: механическая фиксация МЭБ при возникновении перепада давлений между газовыми каналами анода и катода, обеспечение при этом хорошего контакта (теплового и электрического) с каталитическим слоем, препятствование сжатию каналов, приводящему к блокировке потоков и большим перепадам давления в каналах.

Вышеописанные функции определяют требования к физическим свойствам ГДС. Внутрислоевые проводимость и проницаемость более важны по сравнению с междуслоевыми из-за аспектного соотношения ширин каналов и островков и толщины слоя. Более подробно это будет рассмотрено ниже, при описании требований к проводимости ГДС. Кроме оптимизации объемных свойств слоя, которые могут сильно зависеть от сжатия, следует уделить внимание повышению значений теплои электропроводности через поверхности раздела ГДС/биполярная пластина и ГДС/каталитический слой. Эти значения также сильно зависят от сжатия. Таким образом, ГДС, материалы смежных компонентов МЭБ и давление сжатия не должны рассматриваться независимо друг от друга.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС. В случае развитых ГДС конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика, конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой работе рассматриваются ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС.

В случае развитых ГДС [7] конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика [8], конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также следует заметить, что существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур [9,10]. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой главе мы ограничимся рассмотрением ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Наибольшие перспективы сулит применение в качестве ГДС в ТПТЭ продуктов из углеродного волокна, таких как неплетенные ткани из-за их высокой пористости (>=70%) и хорошей электропроводности. Они и раньше применялись в коммерчески доступных продуктах, а теперь исследуются как потенциальный материал для ГДС в ТПТЭ. Графитовая бумага на основе графитизированных углеродных волокон использовалась для изготовления газодиффузионных электродов в ТПТЭ, углеродное волокно – в элементах, функционирование которых связано с повышенным трением (автомобильных трансмиссиях и тормозах), а также при нанесении покрытий [6]. Типичные значения, характеризующие основные свойства этих материалов, представлены в таблице 1 и 2, а фотографии со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) – на рис.11. Эти фотографии показывают, что углеволоконная бумага удерживается как единое целое вследствие обработки связующим агентом (карбонизированная термостойкая смола), в то время как ткань не требует связующего агента в силу своей специфической (переплетенной) структуры. Ниже будут описаны сырье и материалы для производства этих и некоторых других потенциальных ГДС на базе углеродного волокна.

Статья из третьего выпуска интернет-журнала «Стройка Века» «Энергетика в эпоху декарбонизации». Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую версию можно по ссылке.
Читайте также следующую статью выпуска:

Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:

Над статьей работали:
Авторы: Василенко А.А. (НИУ МЭИ)
Редактор: Тарасенко А.Б. (ОИВТ РАН)
Эксперт: Киселева С.В. (ОИВТ РАН)
Публикация: Овчинников К.А.

Лыкова С.А. Топливные элементы и гибридные установки на их основе // Общие вопросы электроэнергетики. 2002, вып. №7. С. 5-12.
Баготский В. С. Топливные элементы. Современное состояние и основные научно-технические проблем // Электрохимия. 2003, вып. №9. С. 919–934.
Арзуманян Н., Микаэлян А., Данелян А. Топливные элементы — вчера, сегодня, завтра. //Альтернативная энергетика и экология. — 2005. — №10. — с.65-68
Коровин Н. В. Топливные элементы // Соросовский образовательный журнал. 1998, вып. №10. С. 55-59.
Mauritz K.A. Moore R.B. State of Understanding of Nafion // Chem. Rev. 2004, вып. № 104. С. 4535.
«Материалы и исследование свойств диффузионных сред (ДС)».
M.F.Mathias, J. Roth, J.Fleming, W.Lehlert, GM Global RD, Global Alternative Propulsion Centre, Honeywall Falls, NY, USA, Adam Opel AG — Global Alternative Propulsion Centre, Rữsselheim, Germany, Spectacorp, Inc., Lawrence, MA, Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Wữrtemberg, Ulm, Germany.

Источники изображений

Изображения сделаны командой журнала ”Стройка Века”, использование в любых целях разрешено при наличии активной ссылки на публикацию.

источники:

http://autobryansk.info/ustrojstvo-vodorodnogo-toplivnogo-jelementa.html

http://stroikaveka.org/vypusk3/toplivnyj-element-nastoyashhee-i-budushhee.html