Низкотемпературные топливные элементы

Химик Екатерина Герасимова о преимуществах низкотемпературных топливных элементов, их сроке службы и поиске дешевых катализаторов
21.05.2019

В настоящее время низкотемпературные топливные элементы достаточно перспективны для использования. Основными топливными элементами являются водородно-воздушные и метанольные топливные. Энергоемкость устройств на их основе составляет от 800 до 1300 ватт-час на килограмм. Для сравнения: в никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторах энергоемкость находится в диапазоне от 40 до 70 ватт-час на килограмм, а в литийионных и литийполимерных аккумуляторах - от 80 до 200 ватт-час на килограмм. Таким образом, энергоемкость низкотемпературных топливных элементов превышает емкости известных аккумуляторов в 5-10 раз.

На данный момент у нас сформулированы технологические барьеры в рамках дорожных карт НТИ, преодоление которых связано с увеличением срока службы таких топливных элементов, с увеличением эффективности их работы и с расширением диапазона рабочих температур. В основном интересует решение проблемы запуска топливных элементов при отрицательных температурах.

Для увеличения эффективности работы топливного элемента большое влияние будет оказывать увеличение эффективности работы катализатора. В водородно-воздушных и метанольных топливных элементах используют для реакции электровосстановления кислорода катализаторы на основе платины. В начале разработки таких топливных элементов использовали платиновую чернь, но из-за большого размера частиц катализаторы на ее основе были недостаточно эффективны, загрузка данного металла была очень высока - 5-10 миллиграмм на квадратный сантиметр. Для уменьшения загрузки платины, а также увеличения эффективности работы катализатора было придумано решение, связанное с нанесением наноразмерных частиц платины в районе 2-5 нанометров на углеродный носитель. Такие катализаторы обладают очень высокой эффективностью и позволили снизить загрузку платины более чем в 10 раз.

Для водородно-воздушных топливных элементов такие катализаторы работают хорошо. Однако использование платины увеличивает стоимость топливных элементов. Одним из направлений для снижения загрузки платины в данный момент является разработка катализаторов со структурой «ядро - оболочка», где внутри наночастицы находится неблагородный металл, например никель, а наночастицу покрывают атомы платины. Такие катализаторы могут иметь достаточно высокую эффективность, по некоторым аспектам превышающую эффективность работы платиновых наночастиц, и иметь меньшую стоимость.

Для метанольных топливных элементов, кроме реакции электровосстановления кислорода, существует другая проблема - окисление метанола. В отличие от водородно-воздушных топливных элементов, где окисление водорода происходит достаточно легко, окисление метанола лимитируется образованием промежуточных продуктов, в частности частиц CO, которые прочно адсорбируются на платине и отравляют ее. Поэтому активность чистых платиновых катализаторов мгновенно снижается практически до нулевых значений. Частичное решение этой проблемы представляет собой использование вместо платины платиновых сплавов. Например, в настоящий момент коммерчески выпускаемые для метанольных топливных элементов являются платино-рутениевые катализаторы. Поверхность рутения гидратированная, то есть покрыта OH-группами, и адсорбированные на платине частицы CO, реагируя с этой OH-группой, успешно электроокисляются до CO2. Несмотря на это, КПД таких топливных элементов все еще находится в районе 30%, в то время как для водородно-воздушных топливных элементов КПД может достигать 40-45%.

В метанольных топливных элементах, помимо проблем с электроокислением метанола, существует также проблема переноса топлива на катодную сторону. То есть метанол проходит сквозь мембрану посредством диффузии и мешает протеканию кислородной реакции на катоде топливного элемента. Одним из решений является использование на катоде не платинового, а платино-рутениевого катализатора. Другим решением является модификация мембраны для уменьшения кроссовера топлива либо поиск других мембран. Кроме платино-рутениевых катализаторов для электроокисления метанола также достаточно перспективны направления, связанные с поиском оксидных носителей катализаторов. Поверхность оксидного носителя также гидратирована и помогает успешной электродесорбции CO с поверхностью платины, увеличивая эффективность работы катализатора.

Срок службы топливного элемента связан с процессами деградации, проходящими на его электродах, и процессами деградации мембраны. В основном электроды топливного элемента деградируют путем разрушения катализатора. Если мы говорим о металлическом катализаторе, нанесенном на углеродный носитель, то его деградация связана с окислением углеродного носителя под наночастицей металла, в том числе наночастицы платины, так как они активны и катализируют окисление углерода на катоде топливного элемента. Решение этой проблемы связано с поиском альтернативных носителей электрокатализаторов, что является сложной задачей, потому что основным свойством электрокатализатора кроме самого каталитического эффекта является высокая электронная проводимость, то есть носитель электрокатализатора должен иметь высокую электропроводность. Оксидные носители могли бы успешно применяться на катодах топливных элементов вместо углерода, однако большинство из них имеют недостаточную электронную проводимость. Одним из направлений является исследование карбидных, нитридных носителей.

Широкое внедрение метанольных топливных элементов в России затрудняется использованием метанола как топлива: его использование у нас жестко регламентировано, и, учитывая специфику страны, использование спирта может принести достаточно большие проблемы. Водородно-воздушные топливные элементы, в отличие от метанола, такой проблемы не имеют, однако есть другая проблема - хранение водорода. То есть водород, используемый на данный момент в источнике питания, у нас находится под давлением. Чем выше это давление, тем опаснее работы с топливным элементом. В наиболее энергоемких топливных элементах используется водород при давлении 300-700 атмосфер, и это достаточно опасно, потому что при повреждении вентиля возможно возгорание и взрыв. Однако для специализированных отраслей применение таких топливных элементов возможно.

На данный момент суперлегкие водородно-воздушные топливные элементы у нас в России уже нашли свое применение в беспилотных летательных аппаратах - это беспилотные самолеты и мультикоптеры. Эти элементы также выпускаются для использования военными как портативный источник энергии. Использование метанольных топливных элементов возможно в тех же отраслях. Для использования в подводных судах топливные элементы также могут найти свое применение, но для этого необходимо достичь основного требования - срока службы без обслуживания более 24 месяцев, что для низкотемпературных топливных элементов сложно осуществить. Также на данный момент выпускаются автомобили, работающие на низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементах. Естественно, работа такого автомобиля поддерживается энергоустановкой не только на основе топливного элемента, а в нее также входят литиевые аккумуляторы и суперконденсаторы и другие источники энергии.

Источник: ПостНаука

Смотрите другие наши материалы