ТЭ иллюстрируют на примере элемента с твердым электролитом — протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, РЕМ, 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 совре-
менных 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.
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 все 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 (КОН), Для раствора требуется температура 80 °С, для расплава — около 200
Да и сам чистый водород в качестве топлива далеко не сахар: эта проблема широко обсуждалась еще применительно к автомобилям на водородном горючем. Его приходится хранить либо сжатым до 700 атмосфер (что метко обозвали «мечтой ша-хида»), 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 все же остановились в основном на чисто водородном горючем для топливных элементов: они используют описанные выше ТЭ типа РЕМ в силу их простоты и надежности (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 (СН4), сначала подвергают реформингу — газ или другое водородсодержащее топливо взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °С) 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 «навороченное™» 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.
Все 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 °С. Еще большей температуры — свыше 1000
Конечно, компьютерщиков особо интересуют упоминавшиеся мини-элементы на метаноле (DMFC), ибо они являются пока единственным кандидатом на устройства питания электроники. Нередко их еще 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 (РЕМ), классической платиной в качестве катализатора (несколько миллиграмм 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 емкости, отчего габариты еще больше возрастают. Причем 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 все застряло на уровне исследований. ¦
ТЭ И УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
тавная проблема, стоящая перед конструкторами электромобилей на I ТЭ, заключается в следующем. Обладая очень высокой энергоемкостью — до 400-600 ВТ'Ч/кг (у лучших литий-ионных аккумуляторов, имеющихся на прилавках, — 150-160 Вт-ч/кг), ТЭ пасуют при необходимости отдать большой ток за короткое время: их удельная мощность не превышает 60 Вт/кг. Поэтому, например, для электроавтобуса с потребной мощностью 200 кВт нужно больше трех тонн топливных элементов, что превышает его собственный вес вместе с электродвигателями. Проблему пока решают в основном установкой второго — обычного бензинового — двигателя, отчего большинство современных электромобилей с приемлемыми ходовыми качествами являются гибридными. В предложениях решить проблему кардинально недостатка нет: одним из
