Немного про водородную энергетику

0

Для получения энергии из водорода обычно используют девайс, называемый топливным элементом (по-английски fuel cell). Они напрямую превращают энергию химических связей в электрическую без промежуточных остановок в тепловой и механической энергии. На самом деле, бегали тут изначально не за экологией, а за большим КПД.

Водородный топливный элемент, в принципе, устроен достаточно просто. С одной стороны подаем водород, с другой – кислород или вообще воздух. Один из двух газов распадается на ионы и электроны, электроны под действием разности потенциалов, происходящей из энергии химических связей, уходят во внешнюю цепь, питая полезную нагрузку, ионы проходят через какой-то ионный проводник в элементе и замыкают цепь. Соответственно, вариаций топливных элементов достаточно много. Самые перспективные из них – твердооксидные и полимерные топливные элементы. Отличаются они типом проводящего вещества между электродами.

Твердооксидные топливные элементы используют проводящий ионы кислорода при высоких температурах (больше 800 градусов Цельсия) оксид циркония. С одной стороны, они не требуют платины, им наплевать на чистоту подаваемого водорода, они имеют высокие плотности тока (и малый объем), в них нет ничего жидкого, что упрощает чисто инженерную сторону вопроса, а их рабочие температуры позволяют эффективно использовать отводимое тепло. С другой стороны, 800 градусов – это 800 градусов – привет, запуск по несколько часов, нелюбовь к включениям-выключениям и строго стационарное применение.

Полимерные топливные элементы используют полимерный протонный проводник и платиновый катализатор. Схему изделия я прицепил под постом. Кстати, аналогичные топливные элементы могут питаться и метанолом. Как правило, это различные фторированные кислотные полимеры, например, Nafion от Du Pont. Они эффективно работают при температурах ниже 100 градусов, в отличие от предыдущего типа. Проблемы же в том, что эти полимерные проводники работают только при высокой влажности, что требует инженерных ухищрений по поддержанию влажности входящих газов и снижает ресурс за счет коррозии. Платиновый катализатор же выводится из строя даже небольшой примесью угарного газа. Ну а дешевый водород из синтез-газа (продукт реакции метана и воды при высоких температурах) гарантированно им загрязнен. Это требует либо использования в качестве топлива водорода высокой чистоты, полученного электролизом воды с превращением всей системы в большой аккумулятор (собственно, применяется на спутниках), либо повышения температуры изделия выше 110 градусов Цельсия, где угарный газ перестает гадить – но тут отказывает полимерный проводник.

Отдельной проблемой является дикая дороговизна полимерного проводника, связанная со сложностями в производстве фторированных соединений. В России на данный момент мономеров, применяемых для производства таких полимеров, не делают, и даст Бог, не будут: от их производства отказываются даже в Китае из-за высокой токсичности и крайней опасности технологического процесса. Стандартным проводником для их конструирования является американский Nafion. В России есть пара небольших производств таких полимеров. Оба, к сожалению, фактически опытно-промышленные со всеми вытекающими последствиями в виде очень сильно меняющегося от партии к партии качества. Пока что, насколько мне известно, оба производства существуют частично для освоения выделенных на развитие высокотехнологичных производств средств, частично для получения налоговых вычетов.

Отдельная сложная научно-техническая задача – это хранение и транспортировка водорода. Водород, сволочь такая, умеет разрушать разнообразные конструкционные металлы, повышая их хрупкость, его крайне низкая критическая точка затрудняет сжижение, а низкая молярная масса приводит к небольшой объемной плотности газа. Исследуется на данный момент возможность использовать обратимо реагирующие с водородом сплавы типа сплава лантана с никелем или магниевых сплавов, но там тоже пока непочатый край работы.

Резюмируя: идея красивая, но до экономики ей пока весьма далеко, требуется море работы для достижения экономической целесообразности.

Добавить комментарий