Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны. Наиболее привлекательны элементы с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). Областями их использования является автомобильный транспорт (до 70% потенциального рынка), а также системы автономного энергоснабжения (включая элементы питания для портативной техники – мини-компьютеры, фото- и видеокамеры, мобильные телефоны и т.п.).
Рис. 1. Схема действия водородного топливного элемента с ТПЭ. Суммарная реакция
2Н2 + О2 > 2Н2О.
Уже сегодня большинство автомобильных компаний представили прототипы автомобилей на топливных элементах с ТПЭ и ведут интенсивные разработки в данной области. А в настоящее время запущена программа по опытной эксплуатации 40 автомобилей на водородных топливных элементах в разных городах США.
В США начиная с 2003 года выделяются средства в размере 1,2 млрд. долларов по президентской программе перехода к водородной энергетике.
Кроме транспорта областью применения топливных элементов может стать децентрализованное энергоснабжение. По оценкам, в Германии к 2010 г. доля топливных элементов в отоплении и электроснабжении составит 10–30%. Энергоустановки на их основе электрической мощностью 1,5 кВт и тепловой мощностью 2,9 кВт будут использоваться в коттеджах и многоквартирных домах.
Топливные элементы с ТПЭ находят свое применение и в более специализированных областях. Например, их использование в качестве энергоустановок может сделать подводные лодки бесшумными и свести к минимуму тепловые выбросы. В космосе топливные элементы используют с 1960-х гг.
Рис. 2. Электрохимическая ячейка для изучения водородной реакции. Химический факультет
МГУ
Для обеспечения потребителей водородом в ближайшие годы необходимо создать водородную инфра- структуру (сеть водородных заправочных станций для автомобилей на топливных элементах и т.п.). При реализации этой задачи незаменимы электролизеры воды с ТПЭ.
Основное препятствие для коммерциализации топливных элементов и электролизеров с ТПЭ заключается в использовании электрокатализатора на основе платины. Использование данного металла приводит к ряду значительных проблем, ограничивающих применение топливных элементов.
Во-первых, стоимость платины достаточно высока, и ее ресурсы недостаточны. Современные оценки стоимости компонентов топливных элементов дают значения от 200 до 2000 долл. США на кВт производимой энергии. При этом на каждый кВт необходимо до 2 г платины. Таким образом, двигатель среднего автомобиля мощностью 50 кВт будет стоить 10 000–100 000 долл. США и будет использовать до 100 г платины. Мировое производство автомобилей достигло в 2004 году 64 млн. единиц. Для того чтобы оборудовать все автомобили топливными элементами, потребуется 6400 тонн платины. Даже если содержание платины будет снижено до теоретического предела, составляющего 0,1 г/кВт, платины потребуется намного больше ее годовой
добычи (202 тонны в 2004 г.). А количество платины, необходимое для замены всех ДВС на топливные элементы, сравнимо с ее мировым запасом (100 000 тонн). При этом также существует потребность в ТЭ для других видов транспорта и для домашних автономных источников электроэнергии.
Во-вторых, существенным недостатком платины является то, что она легко и необратимо отравляется окисью углерода (СО) и сероводородом (Н2S) – примесями, неизбежно присутствующими в дешевых топливах, таких как реформинг-газ (продукты конверсии органического топлива) и био-газ (биотехнологический Н2, полученный из отходов органического происхождения с
помощью бактерий).
Рис. 3 Лабораторный водородный
топливный элемент. РНЦ Курчатовский
институт
Поэтому топливные элементы, использующие платиновые катализаторы,
не могут рассматриваться как единственна
я перспектива для широкого использования
в энергетике будущего. Необходимо искать альтернативный катализатор.
При значительном повышении температуры можно отказаться от катализа платиной. Так, например,
высокотемпературные топливные
элементы и электролизеры на основе оксидов металлов и керамики не содержат благородных металлов. Но они, во-первых,
являются недостаточно устойчивыми к различным воздействиям, в частности, механическим, поэтому рассматриваются только
для стационарных установок.
Во-вторых, их рабочая температура (~900 °С) слишком высока и не позволяет использовать обычные конструкционные материалы, например сталь. И наконец, данные элементы не приспособлены для работы в режиме частых запусков-остановок.
Одним из путей решения проблемы катализа в низкотемпературных топливных элементах является использование природных
катализаторов – ферментов. В проекте «Исследования и разработка неплатиновых электрокатализаторов для водородного
электрода топливных элементов и электролизера на основе иммобилизованных ферментов», которым занимаются ученые
химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с Федеральным государственным учреждением Российский
научный центр «Курчатовский институт» (ФГУ РНЦ «Курчатовский институт»), предлагается использовать ферменты в качестве
альтернативных электрокатализаторов для водородных электродов.
Ферменты, ответственные в природе за окисление-образование Н2, получили название «гидрогеназы». Ферменты-гидрогеназы
являются уникальными и единственными эффективными неплатиновыми катализаторами для водородной реакции. Других
подобных неплатиновых катализаторов пока не найдено.
Ферменты, которые используют ученые, сегодня достаточно дороги. Гидрогеназы являются продуктами жизнедеятельности
особых микроорганизмов, и для их производства используются современные методы генетической инженерии и биохимии.
Однако они являются полностью возобновляемым биотехнологическим продуктом, поэтому при наращивании объема
производства цена ферментов стремительно снижается. Например, сегодня производство ферментов для нужд легкой
промышленности, используемых в стиральных порошках, стоит порядка нескольких долларов за 1 кг. Таким образом, можно
ожидать, что и стоимость гидрогеназ существенно понизится в ближайшие годы. Активные работы в области биотехнологии
гидрогеназ проводятся и в нашей стране, в Институте общих проблем биологии РАН (г. Пущино).
В отношении платины ситуация обратная – при увеличении ее потребления цена значительно вырастет. Кроме того, в отличие от платины, ферменты устойчивы к примесям СО и H2S, содержащимся в дешевых топливах.
Не случайно эта проблема заинтересовала российских ученых химического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова. По словам
научного руководителя проекта, доктора химических наук, профессора Аркадия Карякина, решение заняться данной разработкой
пришло в 2004 году, после совещания в Министерстве науки и образования, посвященного сотрудничеству России и стран
Европейского союза по водородной энергетике.
Такому шагу предшествовали долгие годы серьезных исследований. Идея самого проекта, а именно – использование ферментов в
качестве катализаторов в топливных элементах, является абсолютно приоритетной разработкой российских ученых. Первые
работы в этом направлении были выполнены в конце 1970-х – начале 1980-х гг. в МГУ при сотрудничестве с Институтом
электрохимии им. А.Н. Фрумкина (в настоящее время это Институт физической химии и электрохимии). Первые статьи по
водородной тематике были опубликованы российскими учеными в начале 1980-х гг.
В то время, как и сейчас, интерес к топливным элементам был связан с энергетическим кризисом, который не имел таких размеров, как современный, и закончился достаточно быстро. Внимание ученых было направлено на биоэлектрокатализ ферментами –
ускорение химических реакций, протекающих на электродах в присутствии биологических компонентов.
В конце 1990-х гг. интерес к топливным элементам возник снова. Совместная работа ученых химфака МГУ и биохимиков из
Пущино была поддержана грантом в рамках Международной программы содействия фундаментальным исследованиям (ИНТАС).
Таким образом, работа, связанная с топливным элементом, была возобновлена.
Современный энергетический кризис заставляет взглянуть на проблему по-новому, признав ее актуальность. По различным
оценкам, запасов нефти хватит на 20–50 лет, а спад объемов добычи нефти ожидается в течение ближайших 10 лет.
Реализацией проекта «Исследования и разработка неплатиновых электрокатализаторов для водородного электрода топливных
элементов и электролизера на основе иммобилизованных ферментов» ученые химфака МГУ занимаются в сотрудничестве с
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», а именно – с Институтом водордной энергетики и плазменных технологий (ИВЭПТ),
Рис.4 Сборка топливного элемента мощностью 1 кВт. РНЦ «Курчатовский институт» входящим
в состав этого центра. На протяжении последних 20 лет в ИВЭПТ ведется разработка и
оптимизация топливных элементов и электролизеров с ТПЭ. Так, например, разработаны
высокоэффективные катализаторы на углеродном носителе для систем с ТПЭ с удельной
поверхностью платины более 100 м2/г, оригинальные технологии изготовления
мембранно-электродных блоков, обеспечивающие оптимизированную структуру
электрокаталитического слоя при расходе платины порядка 0,1 мг/см2. На сегодняшний день в
топливном элементе с ТПЭ достигнуты рабочие плотности тока порядка 1,6 А/см2 при напряжении 0,7 В. Характерное
напряжение электролизера при плотности тока 1 А/см2 составляет 1,63–1,64 В. Созданы топливные элементы мощностью 1 кВт
и электролизеры производительностью до 2 м3/час водорода (рабочее давление до 30 атм). Масштабы, опыт и наличие стендов,
специально созданных для экспериментов с топливными элементами и электролизерами, делают возможным проведение
широкомасштабных испытаний новых неплатиновых электрокатализаторов. Кроме того, в Курчатовском институте разрабатываются каталитические композиции на основе ферментов и ионообменного полимера, а также методы их нанесения на ТПЭ-мембрану.
Важную роль в процессе реализации идеи сыграл выигранный конкурс по Федеральной целевой научно-технической программе
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» по приоритетному направлению
«Энергетика и энергосбережение». По мнению Аркадия Карякина, при том состоянии науки, в котором она оказалась после
перестройки, такое целевое финансирование является огромным подспорьем и катализатором для получения новых научных
результатов: «Наше правительство начало финансировать перспективные работы, что принципиально важно. Это значительно
ускоряет наши исследования».
Рис. 5 Структура гидрогеназы из Desulfovibrio Fructosovorans. Масса фермента 90 кДа, что
в 450 раз больше массы атома платины.
Ранее проводилось преимущественно фундаментальное изучение биоэлектрокатализа
гидрогеназами методами традиционной электрохимии. Сейчас ведутся исследования и
оптимизация ферментных электродов для работы в реальных топливных элементах с ТПЭ.
Проводимые работы закрепили лидерство за российскими учеными в данной области. Участие в международных конференциях
по водородным ферментам и водородной энергетике показывает бесспорный приоритет российских разработок.
Активное сотрудничество с коллегами из Университета им. Ж. Фурье в г. Гренобле (Франция) позволяет наладить совместное
использование полученных наработок по различным переносчикам электродов, создавать наиболее прогрессивные системы для
электрохимического окисления водорода при помощи ферментов.
Использование неплатиновых катализаторов на основе ферментов – это задача коллектива ученых химфака МГУ и их приоритет.
Никто не берет на себя смелость утверждать, что вся энергетика пойдет по данному направлению, но это один из путей, по
которому не пройти нельзя, иначе наше общество безнадежно отстанет. Это понимают все, как у нас в стране, так и за рубежом.
Более того, водородные ферментные электроды могут найти применение и для переработки органических отходов с получением
полезной электроэнергии.
В настоящее время в рамках проекта ФЦНТП проводится изучение стабильности водородных электродов. Перед учеными стоит
задача добиться сохранения активности биокатализаторов при повышенных температурах (до 90 °С), которые требуются для
автомобильных топливных элементов. Следующим этапом станет испытание пилотного образца водородного электрода на стенде в ИВЭПТ РНЦ «Курчатовский институт».
В последнее время поток научных работ в области топливных ферментных электродов резко увеличивается. Научные
исследования ферментов, связанных с водородом, финансируемые европейскими странами, всегда отличались масштабностью,
таковыми они сохранились и на протяжении последних лет. Однако прогресс западных коллег лежит в плоскости изучения
фундаментальных свойств ферментов и их метаболизма в микроорганизмах. В области же создания ферментных электродов,
которыми занимаются российские ученые, наша страна является абсолютным лидером.
Тэги: hydrogen fuel, водород топливо,топливные элементы,платиновый катализатор,hydrogen Generator, генератор водорода
