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

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.