Ученые кафедры физической и неорганической химии ИЕНиМ УрФУ создают топливный элемент, который будет преобразовывать химическую энергию водорода в электроэнергию. Они первыми в мире создали электролит с заданным комплексом свойств путем модификации кислорода анионом (отрицательно заряженным ионом) фтора. Результаты исследования представлены в журнале Solid State Sciences.
«Мы видим своей задачей создать топливный элемент, который будет производить электроэнергию при температуре 300–500 С. Это позволит заменить полимеры и платину сложными оксидами металлов на основе цирконатов, ниобатов и других соединений: такие материалы дешевле, характеризуются высокой ион(протон)проводностью и химической стабильностью. Если при этом заменить дорогостоящий кислород обычным воздухом, то в нежелательные химические процессы вступает содержащийся в нем углекислый газ. Поэтому оксиды, в дополнение к перечисленным свойствам, должны быть инертны к углекислому газу, не карбонизироваться. И, конечно, быть устойчивыми к высоким температурам», — комментирует профессор кафедры физической и неорганической химии УрФУ Ирина Анимица.
Топливный элемент (ТЭ) — электрохимическая система, которая состоит из электролита (проводник положительно заряженных ионов водорода), протонов (электролитами служат полимерная мембрана, соль или оксид) и двух электродов, находящихся в контакте с электролитом проводников отрицательно заряженных электронов. К электродам, аноду и катоду, постоянно подводятся, соответственно, водород и кислород. В топливном элементе химическая энергия переходит в электрическую, часть химической энергии превращается в тепло, которое отводится из системы, как и продукт окисления, то есть вода.
КПД топливного элемента составляет порядка 70%, что гораздо выше КПД теплоэлектростанций, газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания, а выбросы вредных веществ либо имеют нулевые значения, либо меньше в десятки и сотни раз.
Недостаток топливных элементов — их дороговизна. Существующие ТЭ работают при комнатных температурах, полимеры, которые используются в них в качестве электролитов, нестабильны и недолговечны. Платина, из которой изготавливаются электроды, дорога. Как и кислород. Эти обстоятельства препятствуют массовому производству и применению топливных элементов.
«Следующая крупная задача — разработать электроды. Этим занимаются наши коллеги по кафедре физической и неорганической химии, а также из Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Академии наук. Затем электролит и электроды будут испытаны в собранном топливном элементе. Так мы создадим условия для снижения стоимости ТЭ и его внедрения в массовое производство и, следовательно, для появления экономически оправданной и экологичной генерации электроэнергии», — резюмирует Ирина Анимица.
Переход человечества к водородной энергетике и экономике уже происходит. В начале XXI века 15 наиболее развитых стран, в том числе Россия, учредили Международное партнерство по водородной экономике. По планам, к 2050 году водород должен полностью заменить бензин. Все ведущие автоконцерны мира разрабатывают автомобили на водородных двигателях и топливных элементах и водородные заправочные станции. Скорость и дальность движения таких автомобилей постоянно растут. В 2016 году в Шотландии состоялся первый полет самолета на твердом водородном топливе, оно представляет собой гранулы из химического соединения, которое при нагреве выделяет водород. Такая же технология применима и к автомобилям.
На сегодня 85% водорода получают из природного газа, есть опыт синтеза водорода из бактерий и микроводорослей. США и Южная Корея совместно разрабатывают программы использования атомных реакторов для получения большого количества водорода. Наиболее простой и экологически чистый способ получения водорода — расщепление воды на водород и кислород путем электролиза, то есть под воздействием электрического тока. Несмотря на то, что себестоимость такой технологии получения водорода высока, она успешно реализована в Норвегии.