Любовь к электричеству

АрхивПериферия

В последние год-два интерес к топливным элементам как способу питания мобильных устройств значительно упал. И дело здесь не только в технологических трудностях, отсутствии интереса публики или дороговизне технологии...

В последние год-два интерес к топливным элементам как способу питания мобильных устройств значительно упал. Пик новостей на эту тему приходится на 2004–06 гг., когда практически все крупные японские (Hitachi, Casio, Toshiba, LG, Sony, NEC и пр.), некоторые корейские (Samsung), американские (Motorola) и европейские (Siemens, Nokia) компании наперебой заявляли о готовности выпустить мобильные телефоны или ноутбуки с топливными элементами чуть ли не завтра. По некоторым подсчетам, топливными элементами тогда занимались около тысячи исследовательских центров по всему миру.

Почти никто из них не прекратил разработки и сейчас, но из крупных компаний, пожалуй, лишь Toshiba продолжает подогревать интерес публики, то заявляя о скором старте серийного производства малогабаритных топливных элементов (январь 2009-го), то откладывая его на "несколько месяцев" (март 2009-го). Nokia оказалась честнее всех, публично заявив ещё на пике бума, в марте 2005 года, о прекращении разработки собственных технологий топливных элементов для сотовых телефонов. Тогда к "гласу вопиющего" мало кто прислушался, а зря: вскоре и остальные фирмы упёрлись в те же препятствия.

И дело здесь не только в технологических трудностях, отсутствии интереса публики или дороговизне технологии: просто единственным приемлемым типом топливных элементов для носимой электроники являются элементы, работающие на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). А метанол (метиловый спирт), в отличие от его ближайшего родственника этилового спирта, - малоприятная вещь. Он не приводит к мгновенной смерти в небольших дозах, но длительное вдыхание его паров, не говоря уж о попадании внутрь организма, угнетает нервную систему и может привести к неизлечимой слепоте. С учетом того, что по запаху метанол практически неотличим от этанола, его давно отнесли к разряду особо опасных веществ (да и огнеопасен он, конечно). Потому картриджи с метанолом категорически запрещено проносить на борт воздушных судов (американское Федеральное авиационное агентство даже специально подтвердило, что запрещает иметь в салоне самолета топливные ячейки с содержанием метилового спирта выше 24%). А кому нужен ноутбук, который нельзя захватить с собой в путешествие?

Зато ускоренными темпами идет разработка топливных элементов для автомобилей и систем энергоснабжения. Обама подогрел интерес к этой теме, прикрыв правительственную программу США по развитию водородных автомобилей (то есть таких, в которых водород служит топливом для обычных двигателей внутреннего сгорания) и переориентировав индустрию на развитие электромобилей. Сейчас в США можно получить прямую субсидию в $7500 при покупке электромобиля, хотя пока это едва ли покрывает десятую часть его стоимости. Да и от совершенства такие машины, несмотря на все победные реляции, ещё далеки. Это отлично иллюстрируется провалом тринадцатидневного автопробега машин на топливных элементах, устроенного компаниями Honda, General Motors, Toyota, Ford, BMW, Daimler, Hyundai, Nissan и Volkswagen осенью 2008 года. Увы, большую часть пути через всю Америку, от штата Мэн до Калифорнии, прогрессивные тачки проделали на эвакуаторах. Тем не менее, почти никто не сомневается, что за электромобилями - будущее.

Сначала был Гроув

Процессы преобразования тепловой энергии в механическую, как известно, подчиняются раздражающе неумолимым законам термодинамики. Такой процесс в так называемой тепловой машине может иметь теоретический КПД=100% лишь в том случае, если температура отработавшего рабочего тела (газа) на выходе будет равна абсолютному нулю. Потому КПД реальных тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и пр.) не превышает 30–40%. Отсюда видно, что процесс получения электрической энергии обычным способом (химическая энергия преобразуется в тепловую путем сжигания топлива, а двигатель преобразует полученную тепловую энергию в механическую энергию вращения ротора электрогенератора) неэкономичен, и его общий КПД едва превышает 20%. Неплохо бы попытаться избежать потерь, непосредственно преобразовывая химическую энергию в электрическую.

Первый в истории источник мощного динамического электричества, способного производить реальную работу, каким явился построенный в 1800 году вольтов столб, и стал примером такого электрохимического источника - предком всех современных батареек и аккумуляторов. Но в батарейках расходуются материалы электродов, отчего их приходится выбрасывать, а аккумуляторы надо подзаряжать, откуда-то добывая электричество. Нельзя ли построить такой элемент, в котором расходуемый материал возобновлялся бы непрерывно?

Открытие множества физических закономерностей было обусловлено уверенностью учёных, что все физические эффекты обратимы. А прямой эффект превращения электрической энергии в химическую был открыт практически одновременно с вольтовым столбом: в том же 1800 году Никольсону и Карлейлу удалось осуществить электролиз воды. Известно, что ещё в 1802 году знаменитый химик Гэмфри Дэви пытался построить топливный элемент, осуществлявший обратный процесс, но потерпел неудачу. И только в 1842–43 гг. англичанин (точнее, валлиец) Уильям Роберт Гроув, много работавший в области электрохимии¹, построил действующий топливный элемент на основе реакции водорода с кислородом. В "газовом элементе" Гроува водород и кислород подавались в пространство над электродами из платиновой фольги, покрытой губчатой платиной для увеличения площади поверхности. В качестве электролита использовалась серная кислота.

"Газовый элемент" Гроува не нашел практического применения - он выдавал слишком слабый ток. К топливным элементам всерьёз обратились лишь век спустя - уже после Второй мировой². Первый бум пришелся на эпоху соревнования США и СССР в космосе. В частности, корабли Apollo (в том числе Apollo-Soyuz), Gemini, Skylab, а в дальнейшем - и возвращаемые челноки, включая отечественный "Буран", снабжались электроэнергией от топливных элементов, работающих на жидком кислороде и жидком водороде, причем вода, получающаяся в результате реакции, тоже использовалась для практических нужд. А первый коммерческий элемент был разработан ещё в 1950-е годы (General Electric), но широкомасштабная работа в этом направлении закипела лишь в наше время.

А в чём проблемы?

Сегодня применяются топливные элементы (ТЭ) по крайней мере четырех-пяти разновидностей, причём в основе своей они устроены одинаково и используют реакцию окисления водорода (или соединений, им богатых) кислородом (в практических конструкциях, как правило, прямо из воздуха). Обычно устройство ТЭ иллюстрируют на примере элемента с твердым электролитом - протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM, рис. 1). Молекулы водорода поступают на пористый анод, где с помощью катализатора превращаются в положительно заряженные ионы (протоны), которые через ионообменную мембрану и электролит движутся к катоду. Освободившиеся при этом электроны мембраной не пропускаются и тоже движутся к катоду, но через внешнюю цепь, формируя ток, который и делает что-то полезное в нагрузке. На катоде протоны реагируют с атомами кислорода (они получаются из молекул также с помощью катализатора) и пришедшими из внешней цепи электронами, образуя воду. Напряжение одного элемента составляет около 1 вольта, а величина тока зависит от размеров элемента и достигает в современных конструкциях 100–200 миллиампер с квадратного сантиметра. Немаловажная особенность ТЭ - все эти процессы запускаются только при замыкании внешней цепи, без нагрузки материалы в топливном элементе не расходуются.

Устройство топливного элемента

На эту довольно простую схему накладывается множество нюансов. Нюанс первый заключается в катализаторе, коим чаще всего служит платина или другие недешевые металлы платиновой группы (например, палладий). Причем содержание платины может достигать нескольких грамм на килограмм веса ТЭ, и уже подсчитано, что при активном производстве топливных элементов разведанных запасов платины хватит от силы лет на тридцать. Так что первое направление совершенствования конструкций ТЭ - поиск более дешевых катализаторов, в качестве которых могут выступать другие металлы, органические соединения, разные наноструктуры - в общем, предложений хватает.

Нюанс второй заключается в водороде и кислороде - откуда их брать? В космосе всё работает отлично: там используются тщательно очищенные заранее водород и кислород, не содержащие примесей, "убивающих" катализатор и "отравляющих" электролит. Поэтому на орбите применялись щелочные элементы (AFC), электролит - раствор или расплав гидроксида калия (KOH). Для раствора требуется температура 80°С, для расплава - около 200°С. Между прочим, первый щелочной ТЭ был разработан русским ученым П.Яблочковым (тем самым, который осветил Париж "свечами Яблочкова") ещё в 1887 году. Подобные элементы надежны, долговечны, обладают высокими удельными энергетическими характеристиками, имеют КПД преобразования до 70% и не требуют платины в качестве катализатора. Но как только мы спускаемся с небес на землю, всё становится гораздо хуже: примесь углекислого газа из воздуха охотно реагирует с KOH, превращая щелочь в поташ. Приходится делать электролит проточным, отчего характеристики элемента ухудшаются.

Да и сам чистый водород в качестве топлива далеко не сахар: эта проблема широко обсуждалась ещё применительно к автомобилям на водородном горючем. Его приходится хранить либо сжатым до 700 атмосфер (что метко обозвали "мечтой шахида"), либо в сжиженном виде при температуре, близкой к абсолютному нулю (при атмосферном давлении - минус 252°С), тратя на это немалую часть вырабатываемой энергии.

Тем не менее производители электромобилей всё же остановились в основном на чисто водородном горючем для топливных элементов: они используют описанные выше ТЭ типа PEM в силу их простоты и надёжности (нет ничего текучего и ядовитого, что могло бы разлиться при аварии), высокой плотности тока и низкой рабочей температуры (ниже 100°С). Упомянутый выше автопробег в США (тот, что закончился конфузом) и был задуман ради агитации за создание водородных заправок.

Конечно, заманчиво использовать в качестве топлива обычное горючее. Есть схемы энергоустановок на основе ТЭ, где, например, природный газ, состоящий в основном из простейшего углеводорода метана (CH4), сначала подвергают реформингу - газ или другое водородсодержащее топливо взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900°C) и высоком давлении в присутствии катализатора (никеля). В результате получается водород и оксид углерода. Правда, оксид углерода может отравлять катализатор ТЭ и к тому же ядовит, поэтому его приходится превращать в безопасный диоксид (тот самый парниковый газ).

Для щелочных элементов и диоксид углерода смертелен, поэтому в установках применяют элементы с кислотным электролитом (ортофосфорной кислотой). Такие элементы (PAFC) работают при 150–200°С, их надо охлаждать в процессе работы, и это даже выгодно: КПД таких энергоустановок в целом невелик, на уровне 40%, но его можно довести до 85%, если где-то использовать получаемую горячую воду и пар. Из этого обстоятельства и относительной "навороченности" всей конструкции вытекает основная область применения PAFC: в качестве автономных энергетических установок для зданий. Например, один из новых небоскребов Манхэттена, 48-этажный Conde Nast Building@Four Times Square на углу Бродвея и 42-й улицы, построенный в 2000 году, снабжается теплом и электричеством от двух установок PAFC мощностью по 200 кВт каждая, работающих на природном газе. Интересно, что ради экономии проектировщики установили на здание и солнечные батареи - в дневное время от топливных элементов поступает не больше 5% необходимой электрической энергии.

Всё это выглядит красиво, но на самом деле такие экологические развлечения влетают в копеечку: стоимость энергоустановок на ТЭ составляет 1–3 тысячи долларов за киловатт мощности. В частности, проектировщики небоскреба не ожидали окупаемости ранее, чем через десять лет, и то при условии, что природный газ не слишком подорожает.

Есть и такие ТЭ, которые позволяют направлять на электроды непосредственно органическое топливо, без промежуточной конверсии в водород. Все они требуют высокой температуры: так, ТЭ на основе расплава карбонатных солей (MCFC) могут "кушать" даже обычный бензин и использовать никель в качестве катализатора, но работают при 650°C. Ещё большей температуры - свыше 1000 °С - требуют ТЭ на твердой керамике (SOFC), зато питаться они могут даже загрязнёнными продуктами газификации каменного угля. Общий недостаток всех таких элементов - значительное время подготовки к работе: пока "оно там" раскочегарится...

Конечно, компьютерщиков особо интересуют упоминавшиеся мини-элементы на метаноле (DMFC), ибо они являются пока единственным кандидатом на устройства питания электроники. Нередко их ещё пытаются приспособить в качестве автономных зарядных устройств для обычных аккумуляторов. DMFC впервые (в конце 1980-х) построил Роберт Хокадэй, физик Лос-Аламосской национальной лаборатории. Метанольные ТЭ относятся к элементам с ионообменной мембраной (PEM), классической платиной в качестве катализатора (несколько миллиграммов на кубический сантиметр) и рабочей температурой мембраны около 120°С.

Их КПД невелик, около 35%, но главный недостаток DMFC - в сложности конструкции: как минимум должен присутствовать насос для топлива, кулер для отвода тепла, электронный регулятор и накопитель энергии (ТЭ не умеют отдавать большую мощность при пиковых нагрузках, см. врезку). В качестве накопителя приходится применять обычный алюминиевый электролитический конденсатор большой ёмкости, отчего габариты ещё больше возрастают. Причём здесь перечислены только основные узлы типичного DMFC, а на самом деле их гораздо больше.

Поэтому DMFC чересчур велики (энергоемкость 200–300 Вт·ч/л), шумны, относительно ненадежны и дороги. Тем не менее они, по уверениям производителей, позволяют мобильным устройствам работать в несколько раз дольше, чем от аккумуляторов, что само по себе неплохо. Если будут решены проблемы с метанолом, как пугалом для авиаперевозчиков и борцов с терроризмом, DMFC, несомненно, пойдут в массы. К числу экзотических предложений относится идея питать ТЭ сухим метанолом в таблетках (компания Kurita Water Industries), но генеральный путь, видимо, в том, чтобы отказаться от ядовитого метанола и придумать что-нибудь другое. Есть уже ТЭ с прямым использованием топлива, работающие и на бутане (как в зажигалках), и на обычном этаноле, и на чистом водороде, хранящемся в специальных картриджах (Canon), но пока всё застряло на уровне исследований.

---

1. Ему, в частности, принадлежит "элемент Гроува" - одна из первых конструкций батарейки, не разрушающейся в процессе хранения. Впоследствии она широко применялась в телеграфии. Интересно, что в дальнейшем Гроув переквалифицировался в юриста и стал одним из самых знаменитых судей в истории Англии. [назад]

2. Причем связано это в том числе с именем советского ученого Оганеса Карапетовича Давтяна, опубликовавшего в 1947 году капитальный труд "Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую", принесший ему тогда мировую известность (и орден - почему-то Красной Звезды). [назад]

Из еженедельника "Компьютерра" № 25-26 (789-790)