В.Н.Фатеев
Институт водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ «Курчатовский институт», Москва

На данном этапе является общепризнанным, что водородная энергетика (водородная экономика) - решение экологических, экономических, социальных проблем и обеспечение устойчивого развития и энергетической безопасности на долгосрочную перспективу. Водородная энергетика признана приоритетным направлением (критической технологией) практически во всех развитых странах.

Однако успешная коммерциализации технологий водородной энергетики встречает ряд существенных препятствий. Безусловно, необходимым условием реализации водородной экономики является создание водородной инфраструктуры и эффективное решение проблем хранения и транспортировки водорода, снижение его стоимости. Однако, наряду с этой масштабной проблемой существуют и другие крайне значимые факторы, сдерживающие движение вперед. К ним в первую очередь следует отнести высокую стоимость ряда важнейших типов энергоустановок, в частности, топливных элементов, их недостаточный гарантированный ресурс и широкомасштабное применение благородных металлов (в первую очередь, платины).

Следует подчеркнуть, что предполагаемое существенное снижение цен топливных элементов и других устройств водородной энергетики при их массовом производстве не коснется компонентов энергоустановок на основе платины и других благородных металлов. Годовой расход платины для водородной энергетики может достигнуть 125 тонн в год уже к 2030г.

Решением большого ряда вышеназванных проблем является разработка новых наноматериалов и технологий для водородной энергетики:
- нанокатализаторов для конверторов топлива, электролизеров и топливных элементов (увеличение удельной производительности, снижение расхода металлов платиновой группы, кардинальное повышение срока службы и снижение стоимости энергоустановок));
- наноструктурированных твердых электролитов, мембран и мембранно-каталитических элементов для систем получения и очистки водорода, для водородных сенсоров (повышение КПД, решение проблем водородной безопасности);
- нанопорошков - сорбентов для систем хранения водорода (решение проблем создания водородной инфраструктуры);
- нанопленок, наноструктур, нанопокрытий для мембранно-каталитических систем, пассивных элементов водородной безопасности, защиты конструкционных элементов (увеличение срока службы и снижение стоимости энергоустановок).

Оценки показывают, что применение разрабатываемых наноматериалов и технологий позволит, в частности, только в электрохимических и мембранно-каталитических энергоустановках, снизить (в 2-3 раза) расход благородных металлов, уменьшить стоимость материалов на их основе (до 50-60%), а так же обеспечит значительное (на 30-50%) увеличение ресурса изделий на их основе.

Весьма ярко роль наноматериалов проявляется на примере катализаторов (электрокатализаторов), каталитических слоев и твердых электролитов для твердополимерных топливных элементов и электролизеров.

Существенно, что переход к наноразмерным катализаторам не сводится к простому увеличению удельной поверхности, а сопровождается изменение энергетических характеристик и ростом удельной активности (таблица 1). Причем использование в качестве носителя углеродных нанотрубок позволяет дополнительно на 10-20% повысить удельную активность электрокатализатора.

Таблица 1 Характеристики платиновых электрокатализаторов на наноструктурном углеродном носителе для твердополимерных топливных элементов и электролизеров


Размер Pt частиц, нм   Удельная поверхность Pt катализатора , м2/г           Удельная активность Pt катализатора (отн. ед.)

 

1                                                                        279,8                                                                                       0,95

2                                                                        139,9                                                                                        1,13

4                                                                         69,9                                                                                         1,23

6                                                                         46,6                                                                                         1,09

10                                                                        27,9                                                                                        1,00

50                                                                        5,6                                                                                           1,00

100                                                                      2,8                                                                                          1,00
 

1000                                                                   0,28                                                                                         1,00

Электрокаталитический слой в топливных элементах и электролизерах является сложной многокомпонентной системой (рис.1), в которой существуют три независимые проводящие подсистемы: подсистема с электронной проводимостью (катализатор), подсистема с ионной проводимостью (твердый электролит) и подсистема транспорта реагентов/продуктов (поры). Образование подсистем в процессе синтеза каталитического слоя носит вероятностный характер и возникновение перколяции в данных подсистемах во многом определяется структурой их образующих частиц.

 

Рис.1. Каталитический слой твердополимерного топливного элемента

Использование ноноволокон и нанотрубок в качестве носителя катализатора заметно снижает предел перколяции для подсистемы частиц катализатора и позволяет не только повысить удельную производительность (или КПД), но и дополнительно снизить расход катализатора на 10-20% и увеличить срок его службы за счет высокой степени «связности» (многоточечных контактов) частиц катализатора.

Эффективным решением проблемы стабильности и ресурса чувствительных к водному балансу мембранно-каталитических блоков твердополимерных электролизеров и топливных элементов является

наноструктурная модификация каталитических слоев неорганическими протонпроводящими материалами, например, цирконилфосфатами.

Однако существенное улучшение каталитических свойств при переходе к нанструктурированным системам зачастую сопровождается снижением их химической устойчивости, что требует более детального анализа данных систем с использованием методов атомистического моделирования и современных экспериментальных методов.