Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике на пути к водородной энергетике

Вид материала

Документы

Содержание Топливные элементы Типы топливных элементов Твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ) Карбонатные топливные элементы (РКТЭ) Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) Другие топливные элементы

Подобный материал:

• Международная конференция платиновые металлы в современной индустрии, водородной энергетике, 190.08kb.
• Международный конгресс по водородной энергетике в стамбуле, 84.81kb.
• Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике. Концепция оивт ран энергетических, 214.42kb.
• Лекции по водородная энергетике и другим экологически чистым видам энергии будущего(, 54.99kb.
• Программа 3-го Международного Симпозиума по Водородной энергетике в мэи (ТУ) 1-2 декабря, 255.58kb.
• Отчет о научно-исследовательской работе Лаборатории материаловедения отдела основ стоматологии, 229.22kb.
• Учебной дисциплины «Охрана окружающей среды в энергетике» для направления 280700 Техносферная, 53.49kb.
• Министерство энергетики и электрификации СССР положение об аттестации, рационализации,, 1936.5kb.
• Чтение лекций студентам и школьникам, мастер классы, беседы по высоким технологиям, 8.27kb.
• Технологические аспекты, обеспечивающие создание корпусных материалов для водо-водяных, 216.8kb.

Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике на пути к водородной энергетике.


Переход к экологически чистым источникам энергии

За XX век потребление энергии в мире выросло более чем в 15 раз (1900 год - 21 экоДж, 2000 год - 320 экоДж, 1 экоДж = 27-10⁶ м³ нефти, что для 2000 г. составляет 7 млрд 344 млн тонн) и будет расти дальше. Первичные природные источники энергии по большей части невозобновляемы, использование традици­онных источников существенно загрязняет окружающую среду (выброс углекис­лого газа достигает 20" 1 0^|? м³ в год). Таким образом, современное общество стоит перед дилеммой - без энергии невозможно существовать, но сохранение темпов роста и методов производства энергии приведет к разрушению окружа­ющей среды. Наиболее обоснованным выходом из данной ситуации является использование водорода как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии с резким сокращением потребления ископае­мых топлив [1 ].

Водородная энергетика является одним из основных направлений для разви­тия устойчивых, экологически чистых, открытых энергетических систем в мире, так как водород в чистом виде, а также в сочетании с некоторыми другими видами топлив наиболее эффективно преобразуется в энергию.

Водород рассматривается как энергоноситель, который вполне может заме­нить существующие природные энергоносители (считается, что нефти и природ­ного газа хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 400 лет, ядерного топлива - на 1000 лет с лишним). Основной предпосылкой этого являются прак­тически не ограниченные запасы водорода в природе. Кроме того, при сгорании водорода образуются пары воды, и таким образом поддерживается аналогичный природному кругооборот, что создает условия для поддержания окружающей природной среды в сбалансированном состоянии. В этом заключаются уникаль­ные, не имеющие альтернативы свойства водорода.

Водород как энергоноситель имеет ряд других положительных качеств:

• нетоксичен, а продуктами его сгорания с кислородом являются пары воды;

имеет по сравнению с другими видами топлив наиболее высокую теплоту сгора­ния на единицу массы (120 МДж/кг);

• его можно транспортировать и хранить как природный газ (по трубопрово­дам, в емкостях или в сжиженном виде);
  
• с его помощью можно аккумулировать излишки электроэнергии, вырабаты­ваемой электростанциями, в том числе атомными и гидростанциями (например, в ночные часы и выходные дни), а также энергию возобновляемых источников (вет­ра, воды, солнца и др.); водород и получаемые на его основе виды топлива (на­ пример, метанол) можно применять в двигателях и энергоустановках различного назначения.
  

Основными эксплуатационными недостатками являются низкая плотность жидкого водорода (70 кг/м³) и низкая температура кипения (20К). Переход на водородную энергетику не только даст дополнительный широкодоступный ис­точник энергии, но и позволит решить как чисто экономические проблемы - на определенном уровне развития технологии водород станет самым дешевым ис­точником энергии, так и экологические - этот вид энергии не только не загряз­няет окружающую среду, но и в некоторых случаях (получение водорода раз­ложением воды) формирует аналогичный природному кругооборот.

Наша страна до начала 90-х годов занимала передовые позиции в сфере водородной энергетики. Исследования проводились на базе Института атом­ной энергии им. И.В.Курчатова Сибирского отделения АН СССР. В 1973 году в Донецком политехническом институте была создана проблемная лаборато­рия водородных технологий; с 1979 года на ее базе проводились всесоюзные школы по водородной энергетике. В России был осуществлен первый в мире полет самолета-лаборатории "ТУ-155" на водороде, созданы один из первых экспериментальных автомобилей с топливными элементами, космический крио­генный водородный комплекс, первые опытно-промышленные плазмохимические установки получения водорода, опытные автомобили на бензоводородных сме­сях, экспериментальные водородно-кислородные парогенераторы, проведены разработки разнообразных металлогидридных устройств и созданы эффектив­ные сплавы-аккумуляторы водорода, электролизеры с твердополимерным элек­тролитом и многие другие разработки, выполнявшиеся с середины 70-х до середины 90-х годов. Однако в 90-е годы исследования и разработки были свернуты, нарастало отставание от мирового уровня в этом важнейшем на­правлении энергетического будущего. Лишь в последние годы внимание к этой проблеме вновь усилилось. В декабре 2003 года по совместному постановле­нию президиума РАН и ГМК "Норильский никель" утверждена Комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по во­дородной энергетике и топливным элементам, создан совет по программе, на реализацию которой намечено выделить 40 млн долларов.

К исследованиям и опытно-конструкторским работам в области водородной энергетики и топливных элементов подключились сотни компаний более чем в 40 странах мира, в том числе крупнейшие нефтяные и автомобильные компа­нии. Исследуются различные способы производства водорода, в том числе на АЭС и ГЭС, что позволит обеспечить более равномерную их суточную и сезон­ную загрузку. Разрабатываются принципиально новые материалы (в том числе с использованием нанотехнологий) для безопасного хранения и транспорти­ровки водорода и топливных элементов в различных сферах потребления - в автономных энергоустановках, в транспортных средствах, жилищно-коммуналь­ном хозяйстве, в разных промышленных производствах, в бытовой радиоэлект­ронике и т.д. Изделия с топливными элементами уже появились на рынке, хотя пока они дороги.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, в кото­рых химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую без промежуточных стадий, таких как тепловая и механическая энергии. В резуль­тате этого топливные элементы имеют гораздо более высокий коэффициент полез­ного действия (КПД) по сравнению с тепловыми энергетическими установками. Первые топливные элементы были продемонстрированы Вильямом Грове в 1839 г. Грове показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кисло­род под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.

После того как это было продемонстрировано, начались интенсивные иссле­дования топливных элементов, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие энергетики, основанной на ископаемых источниках (нефть, газ, уголь), во второй половине девятнадцатого века затормозило развитие технологии топ­ливных элементов. Еще больше сдерживало развитие топливных элементов их высокая стоимость.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда для кос­мических полетов возникла потребность в компактных электрогенераторах. В качестве таких электрогенераторов были использованы водородно-кислородные щелочные топливные элементы. Вода, которая выделялась в процессе работы топливного элемента, использовалась как для обеспечения жизнедеятельности космонавтов, так и для получения водорода и кислорода путем электролиза с использованием солнечных батарей. Топливные элементы до сих пор в значитель­ной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компа­ний продают их на коммерческом рынке. Только за последние десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролитическая мембрана, по обе стороны которой располо­жены каталитические электроды: анод и катод. Для приготовления таких электро­дов на пористые материалы, обладающие большой удельной поверхностью, на­носят каталитически активные металлы, такие как Ni, Pt, Ag. Такая конструкция -электролит, окруженный двумя электродами, представляет собой единичный мем,бранно-электродный блок. Водород подается на анод, а кислород (или воздух) - на катод. На каждом электроде протекают разные химические реакции.

На аноде водород под действием катализатора, в качестве которого обычно используют платину, распадается на смесь протонов (Н+) и электронов (е-). На катоде топливного элемента протоны и электроны вступают в реакцию с подава­емым на катод кислородом с образованием воды, Н₂О.

Работа топливного элемента основана на том, что электролитическая мембра­на представляет собой протонный проводник, т.е. материал, по которому прото­ны могут двигаться от анода к катоду. Хорошими протонными проводниками явля­ются щелочи, кислоты, а также твердополимерные мембраны. Электроны движут­ся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов созда­ет электрический ток, который может быть использован для приведения в дей­ствие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка.

Водород не является первичным источником энергии, как уголь или газ. В при­роде он присутствует в связанном состоянии в виде углеводородов и воды. Со­временный подход получения водорода основан на централизованном его полу­чении из ископаемых топлив с использованием улавливания и безопасного хра­нения двуокиси углерода. Перспективным источником водорода является биогаз из городских отходов и станций очистки сточных вод. Возобновляемые источники энергии: энергия солнца, ветра, океана, биомассы - могут быть использованы для электролиза воды и получения водорода и кислорода.

Единичный электродно-мембранный блок выдает напряжение около 1 В. Тре­буемое напряжение получают путем последовательного соединения блоков. Что­бы создать больший ток, элементы соединяются параллельно.

Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электри­чество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Бата­реи - устройства с накопленной энергией, а электричество, которое они выраба­тывают, является результатом химической реакции вещества, которое находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.

Топливные элементы открывают перспективы для создания малогабаритных, с большим сроком службы источников тока для мобильных электронных устройств, резервных источников питания [2], а также развития электротранспорта, не со­здающего при движении вредных выхлопов и шума. При сравнении топливных элементов с ядерными электростанциями преимуществом топливного элемента является отсутствие радиоактивных продуктов реакции, захоронение которых само по себе является одной из серьезных проблем атомной энергетики.

Типы топливных элементов

По типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, фосфорнокислые, твердополимерные, карбонатные и твердооксидные. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Уже давно используемые в космических полетах, эти топливные элементы ра­ботают с КПД до 70%. В качестве электролита в них используется щелочь - КОН. До недавнего времени они были слишком дорогими для коммерческого исполь­зования, но несколько компаний взялись за изучение проблемы снижения стоимо­сти и повышения гибкости эксплуатационных характеристик. Фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ)

Это наиболее коммерчески развитый тип топливного элемента. Он нашел широкое применение во многих областях: больницах, пансионатах для престаре­лых, гостиницах, офисных зданиях, школах, вспомогательных электростанциях и терминалах аэропортов. Топливные элементы на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более 40% или около 85% (если пар, который произ­водит этот топливный элемент, используется для совместного производства тепла и электричества) в сравнении с 30% КПД наиболее эффективного двигателя внут­реннего сгорания. Рабочие температуры находятся в пределах 200°С. Топливные элементы могут также использоваться и на больших транспортных средствах, таких как автобусы и локомотивы.

Твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ)

Эти элементы работают при относительно низкой температуре (около 90°С), имеют высокую плотность энерговыделения, могут быстро изменять выходную мощ­ность для удовлетворения меняющейся потребности в энергии и подходят для рабо­ты в таких условиях, где требуется быстрый запуск, например в автомобилях. В качестве топлива они могут использовать как водород, так и метанол. Согласно заявлению Министерства энергетики США, "они являются первыми кандидатами на использование в транспортных средствах малой грузоподъемности, для обеспече­ния зданий электроэнергией и теплом и в качестве источников энергии для порта­тивных электронных устройств: мобильных телефонов и ноутбуков".

Карбонатные топливные элементы (РКТЭ)

При нагреве до 500°С удается окислить углеводороды (например, природный газ, уголь) на электродах, не содержащих дорогих катализаторов. В этом случае в качестве электролитов используют либо расплавленные соли, либо твердые ионные проводники. Как оказалось, наиболее эффективными расплавленными электролитами являются карбонаты (Luce),, NclCOJ. Эти элементы работают при температуре около 600°С.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Другим многообещающим топливным элементом является твердооксидный топ­ливный элемент. В системах на твердых оксидах вместо жидкого электролита обычно используется твердый керамический материал, состоящий из смеси раз­личных окислов, что позволяет достичь рабочих температур до 900°С. КПД при выработке энергии может достигнуть 60%. В качестве топлива используются раз­личные углеводороды. Такие топливные элементы могут быть использованы в каче­стве больших мощных установок, включая промышленные и крупные центральные станции, вырабатывающие электричество. Некоторые разработчики считают, что твердооксидные топливные элементы могут также использоваться и в автомобиль­ном транспорте. В Европе готовится испытание установки в автотранспорте мощ­ностью 100 кВт. В Японии уже испытаны два небольших блока на твердооксидных топливных элементах для транспортных целей мощностью 25 кВт.

Другие топливные элементы

Прямые метаноловые топливные элементы (ПМТЭ) являются относительно новы­ми членами семейства топливных элементов. Эти элементы похожи на твердополи­мерные топливные элементы (ТПТЭ) в том, что и в тех, и в других в качестве элек­тролита используется полимерная мембрана. Однако в ПМТЭ анодный катализа­тор сам извлекает водород из жидкого метанола, при этом отпадает необходи­мость в топливном реформаторе. Ожидается, что КПД этих топливных элементов составит 40% и они будут, как правило, работать при температурах от 50 до 90°С. При более высоких температурах КПД будет выше.

Регенеративные топливные элементы, также недавно вошедшие в семейство топ­ливных элементов, привлекательны тем, что обеспечивают выработку электроэнергии в замкнутом цикле. Вода разлагается на водород и кислород с помощью установки для электролиза с питанием от солнечной батареи. Водород и кислород подаются в топливный элемент, который вырабатывает электричество, тепло и воду. Вода затем возвращается назад в установку для электролиза на солнечных батареях, и процесс начинается снова. В настоящее время различные аэрокосмические агентства во всем мире проводят исследования этих типов топливных элементов.

Исследования, проводимые в лаборатории водородной энергетики Казанского государственного энергетического университета

Несмотря на сравнительную простоту топливной ячейки, состоящей из двух элек­тродов и электролитической ячейки, расположенной между ними, многие проблемы должны быть решены, прежде чем системы на топливных элементах станут конкурен­тными альтернативами традиционным технологиям. Одной из фундаментальных про­блем, стоящих на пути широкого внедрения топливных элементов, является высокая себестоимость как самих элементов, так и вырабатываемой ими электроэнергии. Несмотря на то что в настоящее время в мире, в том числе и в России, имеются разработанные и изготовленные водородно-кислородные и другие топливные эле­менты различной мощности, для их широкого использования необходимо многократ­ное снижение их стоимости и увеличение срока службы. Несомненно, что простое усовершенствование существующих технологий и материалов, используемых в про­изводстве топливных элементов, не даст того выигрыша, который необходим для того, чтобы топливные элементы могли бы конкурировать с традиционными технологиями сегодняшнего дня.

В последнее время в мире широко ведутся работы по применению углеродных наноразмерных материалов (1 нанометр = 10~⁹ метра, или миллионная доля милли­метра). Наноразмерные материалы характеризуются чрезвычайно развитыми повер­хностями на порядки большими по сравнению с поверхностями традиционных пори­стых материалов. Наряду с этим развитие исследований по применению наноструктурных материалов в технологии топливных элементов может привнести новый аспект, связанный с проявлением новых физико-химических свойств материалов на наномас-штабном уровне. В этой связи представляется также несомненным, что использова­ние новых материалов, основанных на нанотехнологиях и тонкопленочных структурах, позволит вывести топливные элементы на тот уровень, который даст возможность им конкурировать с традиционными источниками энергии. В рамках рассматриваемой фундаментальной проблемы особого внимания заслуживает вопрос развития новых подходов, новых технологических решений, а также создания и использования новых перспективных материалов на основе нанотехнологий для водородной энергетики и топливных элементов. В настоящее время в мире активно разрабатываются твердополимерные топливные элементы на водороде для применений на автотранспорте и в мобильных электронных устройствах. Электролитом в таком топливном элементе служит полимерная мембрана, обладающая ионной проводимостью. Такая мембрана пред­ставляет собой полимерную матрицу, в которую химическим способом "введена" сер­ная кислота в виде сульфогрупп. Это достаточно рыхлая структура содержит также молекулы воды, которые присоединяются к оборванным связям. Такие полимерные мембраны являются хорошими проводниками протонов. Наиболее известным и широко используемым для разработки твердополимерных топливных элементов является поли­мер Nafion, созданный в 1962 году фирмой Du Pont. Сравнительно недавно фирма Asahi Chemical Industry Company выпустила полимер Aciplex-S. Ряд подобных протон-проводящих мембран был также разработан и другими химическими фирмами [3]. Благодаря применению полимерной протонпроводящей пленки, толщина которой со­ставляет сотни микрон, существенно уменьшаются размеры и вес топливного элемента. Такие мембраны обладают большой гибкостью и механической прочностью. Основны­ми недостатками ионнообменных мембран являются непродолжительный срок службы, особенно в условиях снижения влажности, и малая термостойкость. В принципе, опти­мальными электролитами для топливных элементов, использующих чистый водород и кислород, являются водные растворы щелочи КОН. Они обладают высокой протонной проводимостью, моп/т функционировать при повышенных температурах, и, что весьма существенно, щелочные топливные элементы могут работать без использования доро­гих металлов платиновой группы в качестве катализатора электрохимического окисления водорода. В то же время использование жидкого электролита предъявляет ряд требований к конструкции электродов, связанных с тем, что окисление

топлива должно происходить на границе раздела двух сред: жидкого электролита и газообразного топлива (водорода). При этом электрод не должен затопляться электролитом, а газ не должен проникать в межэлектродное пространство. Для выпол­нения этого условия используют пористые двухслойные электроды, имеющие различные размеры пор в слоях, обращенных к электролиту и газу.

Слой электрода, обращенный к электролиту, имеет поры меньшего размера, чем радиус пор слоя, обращенного к газообразному топливу. Соответственно с этим за счет разницы в капиллярном давлении в порах с разным размером устанавливается граница раздела между жидкостью и газом. В качестве катализатора процесса элек­троокисления водорода в щелочном топливном элементе обычно используется ни­кель. Недостатками таких элементов является сложность изготовления двухслойных электродов, что также увеличивает их массу и создает большие омические потери. Сохранение положительных качеств щелочных электролитов и преодоление упомяну­тых недостатков дает использование капиллярных электролитических мембран, кото­рые получают пропиткой раствором электролита материалов, обладающих разветв­ленной пористой структурой. Одним из таких дешевых, пористых, термостойких матери­алов является асбест. Поры в асбестовой мембране имеют малый размер (порядка 10 нм), поэтому капиллярное давление в них может достигать больших значений и такая мембрана является газонепроницаемой. Она обладает высокой химической и термичес­кой стойкостью. В случае использования таких мембран отпадает необходимость в двух­слойных электродах при разработке топливных устройств на жидких электролитах. Фак­тически описанная выше твердополимерная ионная мембрана представляет собой капил­лярную полимерную мембрану, пропитанную серной кислотой, и при ее применении также отпадает необходимость в использовании двухслойных электродов. Недостатком асбеста является то, что этот материал признан опасным для здоровья и не может быть использован при массовом производстве. Это вызывает необходимость поиска новых пористых механически и термостойких материалов. Как известно, конструкция электро­дов имеет решающее значение для эффективного функционирования топливного элемен­та. Основными критериями являются каталитическая активность, высокая удельная повер­хность, хорошая электропроводность, механическая и термическая стойкость. Для приго­товления таких электродов на пористые материалы, обладающие большой удельной по­верхностью, наносят каталитически активные металлы платиновой группы. В качестве активных элементов используют такие металлы, как платина, палладий, рутений, серебро. Нанесение каталитически активных металлов на пористую несущую среду представляет собой сложный и технологически тонкий процесс, поскольку при неравномерном покры­тии поверхностей пор возрастает расход дорогостоящих металлов и часть металла про­сто может не принимать участия в каталитических процессах. С этой точки зрения, опти­мальным было бы нанесение на подложку, обладающую большой удельной поверхнос­тью, активных металлов или их сплавов в виде ансамбля наночастиц. В этой связи пред­ставляет интерес использовать в качестве такой подложки углеродные нанотрубки и алмазоподобные пористые углеродные пленки.

В лаборатории КГЭУ совместно с Казанским физико-техническим институтом КНЦ РАН проводятся исследовательские работы по созданию топливных элементов нового поколения на основе твердополимерных электролитических мембран и каталитических

электродов, изготовленных из нанокомпозитов, состоящих из углеродных наноструктур-ных материалов и металлических наночастиц [4]. Предполагается дальнейшее изуче­ние возможностей щелочных топливных элементов с исследованиями и разработкой новых видов каталитических электродов, не содержащих дорогостоящих металлов пла­тиновой группы, с разработкой и созданием новых технологий электрохимического сжигания дешевых органических топлив.

Такие работы имеют также важное значение для создания электродов без

использования платиновых металлов. Исследования проводятся на базе развито го в Казанском физико-техническом институте способа выращивания уг­леродных нанотрубок на никелевых каталитических подложках с исполь­зованием промышленного грануляр­ного полиэтилена в качестве источ­ника углерода. Как было установле­но, при определенных условиях син­теза на подложках образуется нанокомпозит, состоящий из нанотру­бок и наночастиц никеля [5, 6] . Возникающий композит обладает сильно развитой поверхностью, образованной большим количеством углеродных нанотруб и нитей. Сред­ний диаметр нанотрубок составляет 40-60 нм.

Размер частиц никеля, которые образуются как на самой подложке, так и на концах трубок, составляет от 1 0 до 100 нм. Сильно пористая структура компо­зита из углеродных нанотрубок представляет собой идеальную матрицу для жид­кого электролита. Такая матрица в силу малого размера пор практически непро­ницаема для газообразного водорода и двуокиси углерода, что таким образом существенно уменьшит потери топлива за счет диффузии через электролит, а также уменьшит эффект карбонизации электролита. Нами были проведены пред­варительные эксперименты по насыщению углеродных нанокомпозитов щелочью КОН. Было установлено, что при выдержке нанокомпозитов в 30% водном ра­створе КОН при комнатной температуре не наблюдалось эффектов абсорбции КОН, что указывает на плохую смачиваемость нанокомпозитов щелочью при данных условиях. Были проведены исследования влияния температуры и давления на абсорбционные свойства нанокомпозитов. Для этого нанокомпозиты и щелочь помещались в ультразвуковую ванну и осуществлялся нагрев до температуры 60°С. После такой обработки методом гравиметрического анализа было найде­но, что нанокомпозиты абсорбировали до 15 весовых процентов щелочи.

Дальнейшие исследования будут про­ведены in-situ по измерениям экспери­ментальных параметров лаборатор­ного макета топливной ячейки (рис. 3), в которой в качестве электродов будут применены нанокомпозиты из углеродных нанотруб и наночастиц никеля, а в качестве электролитичес­кой мембраны будут использованы наноуглеродные композиты, пропи­танные щелочным раствором.

Один из оригинальных подходов, который мы планируем развивать в дальней­шей работе, связан с исследованиями применений так называемых алмазоподобных углеродных пленок в технологии топливных элементов. Алмазоподобные пленки получают конденсацией ионов углерода из паровых потоков, создаваемых распы­лением графитовой мишени и осаждением из плазмы вакуумной дуги с графитовым катодом, соответственно. Структура пленок образована алмазоподобной аморф­ной матрицей, в которую встроены фрагменты графитовых плоскостей нанометрового размера. Интересной особенностью этих пленок, обнаруженной авторами работы [7], является тот факт, что при термическом отжиге (400°С) образуется нанопористая углеродная пленка - идеальный объект для нанесения каталитически активных металлов. Таким образом, предполагается провести исследования по Использовалась следующая схема получения. Нанотрубная сажа диспергиро­валась в изопропиловом спирте в ультразвуковой ванне в течение 1 часа. Затем в полученную взвесь добавлялось расчетное количество водного раствора плати­ны с последующей обработкой в ультразвуковой ванне в течение 1 часа. Восста­новление металла из раствора осуществлялось формалином при температуре 50-60°С при постоянном перемешивании. В дальнейшем планируется изготовле­ние лабораторной ячейки с погружными электродами, которая будет использова­на для проведения исследований процесса разложения метанола, растворенного в щелочи, и последующего электрохимического сжигания диссоциированного водорода на никелевых, палладиевых нанокомпозитах. Полученные методом ли­нейной развертки потенциала предварительные результаты указывают на то, что в щелочном растворе этанола при потенциале 600 мВ фиксируется пик тока, который не наблюдается в водном растворе щелочи. Это свидетельствует о том, что имеет место разложение спирта в щелочной среде. В качестве электродов при проведении измерений использовались ранее приготовленные образцы композитов, состоящих из углеродных нанотрубок и наночастиц Ni, выращенных на никелевых пластинках. Спирты в качестве топлива обладают рядом положитель­ных свойств. Прежде всего это жидкости, которые легко транспортируются и I хранятся. Несмотря на то что в результате электрохимического сжигания спиртов выделяется двуокись углерода, существенно более высокий коэффициент полезного действия, малая масса, а также отсутствие шума, делают метаноловый топливный элемент многообещающим портативным источником электроэнергии. I Основными проблемами, встречающимися при разработке метаноловых топливных элементов, являются малая скорость электродных реакций как на аноде, так и на катоде, особенно при низких температурах, а также высокая проницаемость твердополимерных мембран по отношению к метанолу, что приводит к большим потерям топлива. Для повышения скорости диссоциации топлива необходимы существенные улучшения каталитических материалов и конструкции электродов. Также должны быть существенно уменьшены потери топлива через электролит.

В связи с вышеизложенным большой интерес вызывают исследования и разра­ботка топливных элементов на нетрадиционных схемах, в частности по схеме, предложенной Э.Юсти и А.Винзелем и основанной на использовании погружных электродов и растворов топлива и электролита [8]. В этом случае в топливном элементе используются электроды с различной каталитической активностью, а именно: катод является каталитически инертным по отношению к топливу, а анод - каталитически активным. Такой подход представляет интерес в связи с тем, что в этом случае вместо сплава платины с рутением можно использовать палладий, для которого скорость окисления метанола в щелочной среде становится срав­нимой со скоростью окисления метанола на платине [9].

Таким образом, в настоящее время актуальной представляется работа по следу­ющим трем направлениям: 1) исследования топливных элементов нового поколения на основе твердополимерных электролитических мембран и каталитических электро­дов, изготовленных из нанокомпозитов, состоящих из углеродных наноструктурных материалов и металлических наночастиц;

2) дальнейшее изучение возможностей щелочных топливных элементов с исследованиями и разработкой новых видов ката­литических электродов, не содержащих дорогостоящих металлов платиновой группы;

3) создание научно-технического задела для новых технологий электрохимического сжигания жидких и газообразных (природный газ) органических топлив.

В заключение необходимо отметить, что разработка и коммерциализация топливных элементов и реакторов производства водорода к ним является одним из перспективных направлений, в рамках которого у Российской Федерации существует вероятность совершить инновационный технологический прорыв. Воз­можность и необходимость сосредоточения внимания на топливных элементах обусловлена тем, что, по-видимому, время начала их массовой коммерциализа­ции в качестве эффективных источников исчисляется несколькими годами.