20.01.2010   Точка роста

На протяжении ХХ в. потребление энергии в мире увеличилось почти в 15 раз [1]. В качестве первичных источников до сих пор почти на 80% используются углеводороды, что привело к тому, что за последние 50 лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 4.5 раза. Это тот самый углекислый газ, который, как уверяют многие ученые, вызывает парниковый эффект. Кроме того, сжигаются невозобновляемые энергоносители, запасы которых ограничены. Возникает дилемма: без энергии нельзя сохранить нашу цивилизацию, однако высокие темпы роста ее потребления при существующих методах производства приводят к разрушению окружающей среды. Естественно, что одна из основных задач современной энергетики — поиски путей преодоления экологических проблем.

В ближайшие десятилетия главная надежда здесь — на использование топливных элементов. Топливный элемент состоит из ионного проводника (электролита) и двух электродов, находящихся в контакте с электролитом (рис. 1). 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 топливного элемента электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. В простейшем топливном элементе, где используются чистый водород и кислород, 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 главный экологический выигрыш: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Рисунок 1. Устройство топливного элемента.

Рисунок 2. Исследователь Девид Картер из Аргоннской национальной лаборатории, США, готовит твердооксидный топливный элемент для тестирования при высоких температурах. Фото: Argonne National Laboratory / Matt Howard

Сейчас в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде. 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 эти топливные элементы конкурентоспособными на транспорте. Что касается автономной энергетики, то для нее предназначаются в первую очередь твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Вырабатываемый ими 1 кВт установленной мощности стоит сейчас 3 тыс. долл., приемлемая для водородной энергетики стоимость — 1 тыс. долл. — может быть достигнута через несколько лет. В Японии создана энергетическая установка на основе топливного элемента «FP-100» производства Fuji Electric с электролитом на основе ортофосфорной кислоты мощностью 100 кВт, в Германии — установка мощностью 250 кВт на топливных элементах с расплавами карбонатов, функционирующая как небольшая автономная электростанция.

Разработку ТОТЭ в настоящее время нельзя представить без использования нанокомпонентов и нанотехнологий. В частности, эти топливные элементы до сих пор рассма-тривались как перспективное решение для больших электростанций. Было доказано, что использование тепла электрохимической реакции для дополнительной выработки электроэнергии при помощи газовой или паровой турбины может довести КПД теплоэлектростанций до 80%.Однако высокая температура реакции, являющаяся преимуществом применения ТОТЭ в большой энергетике, усложняет и делает слишком дорогим их широкое распространение в других областях. Поэтому такой энтузиазм вызвала работа группы ученых Мадридского Университета, которой удалось доказать, что ионная проводимость электролита при низких температурах может быть существенно улучшена, если на слой обычного электролита (оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия) будет нанесен слой титаната стронция (SrTiO3) толщиной 10 нм. Это связано с тем, что благодаря отличию строения кристаллических решеток оксида циркония и титаната стронция в области контакта этих материалов образуется большое число «кислородных вакансий», по которым ионы кислорода движутся сквозь электролит.

Развитию индустрии топливных элементов в нашей стране было посвящено совместное заседание Президиума РАН и Правления ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель», состоявшееся в декабре 2003 г. [2]. На этом заседании академик РАН Г. А. Месяц отметил: «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».

Похоже, это движение началось. В Институте электрофизики Уральского отделения РАН были разработаны технологии получения уникальных слабоагрегированных нанопорошков твердого электролита YSZ на основе лазерной абляции, а также оксидов никеля и меди для анодов и катодов, полученных методом электровзрыва проволоки. Используя компоненты ТОТЭ в наноразмерном состоянии, удалось понизить технологические энергозатраты, снижая температуру синтеза, а также улучшить основные потребительские свойства ТОТЭ - компактность и экономичность. Анодные и катодные материалы с добавлением нанопорошков оксидов уменьшают сопротивление электродов, синтезированных при пониженных температурах, а также существенно снижают электродные поляризационные потери. Наноструктурированный твердый электролит с уменьшенными размерами кристаллитов обладает повышенной проницаемостью для ионов кислорода [3]. И совсем не случайно, что новые материалы для электролита на основе диоксида циркония, способного работать в ТОТЭ при комнатных температурах, тоже наноструктурированы. Кроме Института электрофизики, подобные исследования проводятся в РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е. И. Забабахина (г. Снежинск) и ряде других учреждений.

В нашей стране эти усилия особенно оправданны. Трудно не согласиться с мыслью, высказанной генеральным директором «Норникеля» М. Д. Прохоровым на уже упоминавшемся заседании: «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 водородную экономику у нас просто нет».

К.ф.-м.н. Александр Данилов.