В статье рассказывается о работе РФЯЦ—ВНИИТФ им. академика Забабахина (г. Снежинск) над первой отечественной энергоустановкой на твердооксидных топливных элементах без драгметаллов. Раскрывается большое прикладное значение этой разработки.

Казалось бы, совсем недавно мы бодро заучивали в школе формулу воды. Повторяя фразу: «Н₂О везде в природе: и в озерах, и в морях. Кто не знает Н₂О, тот не знает ничего!» Нынче же и первоклашке известно: запас пресной воды в мире ограничен. Немного осталось и таких жизненно важных ресурсов, как нефть и газ. Некоторые ученые утверждают, будто этих энергоносителей на земле осталось всего лет на сто. Конечно, нет худа без добра. Отчасти сиё реанимирует экологию. Исчезнет проблема загрязнения воздуха выхлопными газами машин и чадом труб промышленных предприятий.

Ну, а сами авто и прочие достижения НТР, они тоже исчезнут? Или же станут потреблять другие источники энергии. А насколько новое сырье окажется неисчерпаемым и экологичным? И что станет с экономикой России, если это случится скоро. Не пришлось бы тратить накопленные от продажи «жидкого золота» нефтедоллары на приобретение высоких технологий и принципиально иных энергоустановок за кордоном. Но, быть может, и у нас есть в этой области свои конкретные достижения. Какие именно? На пороге мирового энергетического кризиса все эти вопросы крайне актуальны.

Коли нефти недород — перейдем на водород

Разумеется, к жизненному укладу пращуров никто возвращаться не собирается. Отправляться за тридевять земель гужевым транспортом, вместо самолёта, не резон. А космические и глубоководные экспедиции – те, так просто «завязаны» на топливе. Чем же заменить столь дефицитные энергоносители? Активными поисками альтернативы заняты сейчас все промышленные развитые страны. Одним из наиболее перспективных источников энергии является водород. Тот самый Н₂, который «и в озёрах, и в морях». На нашей планете этого ресурса не счесть. Так как любое водородосодержащее сырьё при соответствующем преобразовании может его выделить. Побочный продукт утилизации безвреден для окружающей среды. Поскольку водяной пар льдов Антарктиды не растопит. А возможная примесь углекислого газа (СО₂), не значительна. К сему добавим бесшумную работу водородных «агрегатов» и выйдет некая идиллия. Впрочем, всякое изобретение человечества когда-то казалось утопией.

Итак, достойный внимания источник получения энергии существует. Надо лишь научиться им правильно пользоваться. То есть, найти ключ к тому, что служит «мотором» водородной энергетики — топливному элементу. В основе его действия лежит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Чтобы понять этот принцип, опять же обратимся к формуле Н₂О. Водород, соединяясь с кислородом, «выливается» в образование воды. А энергия, которая высвободилась в процессе этого, и становится электрической. И, что очень важно, минуя промежуточные стадии. Значит меньше материальных затрат и потерь энергии.

Для сравнения — простой пример из жизни. От сжигания бензина в двигателе внутреннего сгорания автомобиля в механическую работу переходит всего 20% внутренней энергии связи. В установках с применением топливных элементов КПД достигает 60-80%. В зависимости от эффективности использования топлива. Это уже сейчас позволяет рациональнее использовать сырьё. Например, на электростанциях, где при сжигании природного газа (углеводорода) будет не только вращаться турбина, но и производиться электроэнергия. Польза — двойная.

Элементарно, Ватсон?

Дело за малым: разработать топливную установку. Но, если бы все обстояло так элементарно, то мир давно бы перешел на водородную энергетику. Ведь идея создания топливных элементов высказана английским физиком У.Р. Гроувом еще в начале 19 века. Однако, на практике её удалось воплотить лишь в 60-е годы прошлого века. Причем, почти одновременно сразу в нескольких странах: США, Франции, Великобритании и СССР.

Существуют пять основных типов топливных элементов: щелочные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные, твердополимерные и твердооксидные. Различаются они видами окислителя, электролита и диапазоном рабочих температур (от комнатной до 1200 К). Топливом же может служить не только водород, а любое вещество, реагирующее при рабочей температуре с кислородом или галогенами.

Все эти типы топливных элементов в той или иной степени готовности имеются в мире. Но так сложилось по роду обстоятельств, что в России наибольшее развитие получили щелочные. Связано это в основном с тем, что первые топливные элементы для технического устройства создали с жидким щелочным электролитом. Одно из главных достоинств — функционирование при обычных температурах. В настоящий момент мощность низкотемпературных топливных элементов суммарно почти достигла 50 мВт. Простота применения в быту способствует их повсеместному распространению. А первенец советской науки — топливный элемент «Волна» — появился в 1971 году. При мощности 1 кВт он был рассчитан на тысячу часов эксплуатации. Следующий этапный момент относится к концу 80-ых. И также связан с щелочными элементами. Для пилотируемого челночного корабля «Буран» была разработана энергоустановка «Фотон». Её показатель — две тысячи часов работы при мощности 10 кВт.

Однако то, что хорошо в космосе, не всегда приемлемо на Земле. Здесь влияют атмосфера с содержанием СО₂. Углекислый газ, взаимодействуя с щелочью, образует нерастворимые в этой среде карбонаты. В результате снижается энергоресурс элемента. Есть и еще одна малоприятная вещь, с коей сталкиваются потребители бытовых батарей на жидких щелочных или же кислотных электролитах. При повышенной влажности воздуха они мгновенно садятся, так как вода разбавляет электролит.

Высокотемпературные топливные элементы от подобных напастей защищены. И они считаются весьма перспективными. Не останавливаясь подробно на всех этапах, поговорим подробнее лишь об одном — твердооксидном топливном элементе (ТОТЭ). Что имеет под собой конкретное обоснование. 10 декабря 2003 года в Снежинском РФЯЦ—ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина произошло событие можно сказать, эпохальное. Была успешно испытана первая отечественная энергоустановка на ТОТЭ без драгметаллов. Её мощность — 1 кВт, в качестве топлива использовался природный газ. Работу устройства смогли воочию оценить ученые УрО РАН, полномочный президент в Уральском регионе П.М. Латышев и другие заинтересованные лица.

Трубчатый элемент и текущий момент

Это испытание имеет свою предысторию. Признанным авторитетом в области подобных исследований является Институт Высокотемпературной Электрохимии (ИВТЭ) г. Екатеринбурга. Ещё в конце восьмидесятых он разработал, изготовил и продемонстрировал энергоустановку (ЭУ) мощностью также в 1 кВт. И она тоже работала на трубчатых ТОТЭ. Существенным недостатком было то, что электродным материалом служила дорогостоящая платина.

Возглавлявший ИВТЭ академик А.Н. Барабошкин обратился к руководителям Всероссийского Научно-исследовательского Института Технической Физики (ВНИИТФ) с предложением о сотрудничестве. Основная тематика снежинцев — разработка ядерного оружия и изучение его действия. Хотя, был накоплен определенный опыт и в мирных областях. Потому в 1990 году в рамках конверсионной программы ВНИИТФ принял тему: «Ильменит». Организовав под неё лабораторию, которой вменялось проведение работ по созданию технологии изготовления ТОТЭ и батарей на их основе.

Вот что рассказал начальник лаборатории, кандидат технических наук Владимир Фёдорович Чухарев. «Казалось, что для разработки промышленного образца ЭУ на ТОТЭ без драгматериалов остаётся только этап по организации конструкторских работ. Включающий разработку и компоновку систем ЭУ, отработку технологии изготовления и испытания ТОТЭ и ЭУ в опытном производстве. Однако, постепенное углубление в тему показало, что требуется проведение большого объёма дополнительных научно-технических работ (НИР). И на первый план вышли проблемы технические. Как то: НИР по материалам ТОТЭ и его компонентов, элементов коммутации, конструкции единичных ТОТЭ и системы батарей. Стало очевидным, что не «пропахав» эту целину, дальнейшие работы будут бесперспективны».

Построение анализа — теория катализа

Топливные элементы действительно штука архисложная. Поскольку задача их создания лежит на стыке конструкторских, химических и материаловедческих вещей. Одна из основных трудностей — разработка теории катализа и практических методов получения катализаторов. Они должны обладать достаточной активностью и коррозийной стойкостью, дабы не подвергнуться отравляющему действию продуктов реакции. Проблемы прежде всего связаны с тем, что рабочая температура ТОТЭ составляет от 800 до 1000˚С. Выбор же конструкционных и коммутирующих материалов, (газоплотных и электропроводных) способных работать при столь высоких температурах в очень агрессивной окислительной и восстановительной среде, ограничен. Так же сложно затем совместить материалы энергоустановки по химическим и термическим свойствам.

Для наглядности разберем устройство основных частей ТОТЭ. Обязательные его составляющие это: твёрдый электролит (мембрана), электроды и токосъём. Последний плотно прилегает к электроду и доставляет электроны, выходящие с его поверхности по назначению. Через электроды происходит доступ водорода и кислорода к твёрдому электролиту и удаляется вода. Этот комплекс – твёрдый электролит и электроды при определённых условиях и являются источником электроэнергии. Электрод используется для быстрой реакции распада молекул газов на атомы и ионы, с большими потоками заряженных частиц. Весь комплекс, включая элементы коммутации, работает в условиях высоких температур (до 1000 °С) в окислительной атмосфере. Непременное требование к нему — химическая устойчивость. Если для твёрдого электролита материал- керамическая композиция на основе диоксида циркония – известен и химически устойчив, то для электродов и элементов коммутации с этим хорошо справляется только платина .

А снежинские исследователи справились со своей задачей. После длительной серии экспериментов в 1996 году лабораторией был разработан трубчатый ТОТЭ. На него получены два патента России. В новой конструкции полностью отсутствовали драгметаллы. А удельные электрические характеристики незначительно уступали лучшим зарубежным образцам. Суть ноу-хау в оригинальной конструкции ТОТЭ и применении многоточечных пористых токосъёмов из керамических композиций.

Но это не всё. В перспективе технологии с применением наноматериалов и современных методов их компактирования. Основы таких технологий, разработанные в Институте электрофизики (ИЭФ) УрО РАН, уже опробованы применительно к ТОТЭ. Есть первые, обнадёживающие результаты. Также идут поиски надёжной газовой герметизации топливной и окислительной полостей ТОТЭ. Чтобы предотвратить смешивание газов. Так что ТОТЭ и в дальнейшем будет отличаться от запатентованных образцов.

Пластинчатые, трубчатые, «проблемчатые»

Немаловажен и выбор формы ТОТЭ. Существует множество модификаций. От «ромбов» до «стиральной доски». В мире высоких технологий, где Россия явно не числится лидером, популярны плоские (планарные) конструкции. Они компактнее трубчатых и технологичнее. Поэтому такую конструкцию прорабатывали и во ВНИИТФ. Но при нагревании пластины нередко деформировались. И, помаявшись с год, в лаборатории перешли на трубчатые ТОТЭ. Причем постарались использовать материалы недорогие в производстве, доступные в своем регионе. Твердый электролит поставляет Чепецкий механический завод (г. Глазов, Удмуртия). Исходное сырье для электродов закупают в Екатеринбурге. А жаропрочные сплавы — в Челябинске и Каменск-Уральске. Электродное покрытие наносят на месте, так что буквально все под руками. Как и академические институты, ведущие в этой области. На протяжении многих лет свердловский ИВТЭ занимался фундаментальными исследованиями, ИЭФ разрабатывал перспективное направление наноматериалов, снежинцы же приближали теорию к практике.

А что представляет собой в готовом виде единичный трубчатый элемент ТОТЭ? Он, действительно, внешне напоминает трубку. Это молочного цвета пробирка с диаметром 10 мм и длинной 210 мм. При плотности мощности до 300 мВт/см² и рабочей температуре 950ºС она выдает при напряжении 0,5 В мощность до 13 Вт. Трубки-пробирки собираются в модули-связки, или же батареи. Затем несколько рядов-модулей с ячейками пробирок помещаются в металлический корпус. Впервые блок батарей мощностью 500 Вт был изготовлен и испытан во ВНИИТФ в 2000 году.

Трубчатая форма элемента из оксида циркония - это давнее изобретение компании “Siemens-Westinghouse”, а пористый материал многоточечного токосъема — оригинален и запатентован снежинцами. Через токосъем проходит металлическая трубка, по ней поступает топливо и отводится электрический ток. Топливом же является так называемый синтез-газ, смесь водорода с угарным газом. С помощью преобразователя-риформера метан, служащий сырьем для получения синтез-газа, преобразуется в водород и окись углерода (СО), которые и служат топливом, окисляясь до воды и углекислого газа, соответственно. Это и происходит в топливном элементе, за счет диффузии заряженных частиц через электролит.

Внешне, правда, конструкция энергоустановки выглядит довольно громоздко. Сравнительно небольшой блок батарей образует электрохимическую зону, а вокруг нее находятся воздушные фильтры, системы подготовки топлива и управления, и т.д. Решение задачи прямого преобразования топлива должно повлиять на компактность энергоустановки. Тогда и хрупкую керамику перевозить будет удобнее. Если, конечно, производство энергоустановок станет массовым.

Даешь ТОТЭ-лизацию всей страны!

А насколько велика потребность нашей промышленности в подобных установках? Вместе со специалистами Газпрома ВНИИТФ изучал этот вопрос. Существует проблема коррозии труб на огромных и очень отдаленных территориях Сибири и Крайнего Севера. И возможной нишей может быть применение установок на ТОТЭ на станциях катодной защиты. Значительным плюсом таких энергоустановок является их автономность по энергообеспеченности и независимость от метеоусловий. Скажем, их можно использовать в удаленном от Большой Земли поселке газовиков.

Особенно привлекательной кажется независимость энергоустановок от отключений энергии. Это позволяет активно использовать их в быту. Поскольку в дальнейшем возможно создание портативных источников тока с ТОТЭ, то щелочные батареи потеснятся. Словом, топливные элементы в мобильных телефонах, компьютерах и прочей электронике будут вещью просто незаменимой. Так что тема ТОТЭ, действительно актуальна и имеет огромное прикладное значение. Недаром в этом году Снежинцы выиграли конкурс Министерства образования и науки Российской Федерации по проектам в приоритетных областях техники.

Создание демонстрационной энергоустановки в 2003 году завершило собой более чем десятилетний цикл работ по ТОТЭ. Это —; труд не одной лишь лаборатории ВНИИТФ, а усилия целого ряда организаций Минатома. С 2000 по 2003 год работы над энергоустановкой велись снежинцами в содружестве с коллегами из ВНИИЭФ, г. Сарова, которые отвечали за периферийную, а ВНИИТФ за головную часть установки. Важно и то, что впервые все основные комплектующие и узлы (нагнетатель воздуха, риформер-конвертер, и, разумеется сам топливный элемент) созданы на предприятиях России.

Пока еще установка — чисто экспериментальный образец. После демонстрационного показа и нескольких дней работы ее выключили и разобрали, чтобы внести в конструкцию необходимые поправки. Но главное — сделано! Ученым удалось на деле доказать перспективность выбранного направления. Создать оригинальную конструкцию батареи на трубчатых ТОТЭ мощностью 1 кВт. Видно — куда двигаться дальше. Сейчас заканчивается подготовка к испытаниям энергоустановки на 2,5 кВт. Делается макет большой батареи. Возможно также создание своего опытного участка по производству единичных элементов.

Мил золотник, да дорог

Поставить дело на коммерческие рельсы — сложно. Стоимость электроэнергии, выработанной энергоустановкой становится привлекательной только если она не превышает 1000 долларов за 1 кВт, а это напрямую зависит от ресурса работы энергоустановки. В Америке и Японии имеются пилотные образцы мощностью до 250 КВт с ресурсами работы более 50 тысяч часов. Но, например, у компании Siemens-Westinghouse из-за высокой стоимости технологии один киловатт электроэнергии выходит намного дороже. При этом суммы, отчисляемые ежегодно на данные программы в этих странах колоссальны. Там никогда не станут заниматься научными разработками, не имея за спиной промышленного партнера. А конкуренция на рынке ТОТЭ — сильнейшая.

Но наш хаос — не Вестингауз. В России все по-другому: во-первых, конкуренция практически отсутствует. Тех, кто занимается топливными элементами, —; немного. Это: ФЭИ, г. Обнинск, (твердооксидные ТЭ), ВНИИЭФ, г. Саров, (расплавкарбонатные ТЭ), Курчатовский Институт, Москва, и ГНТЦ «Водород», г. Протвино, (протонно-мембранные ТЭ) и Уральский Электрохимический Комбинат, г. Новоуральск, (щелочные и фосфорнокислые ТЭ).

Во-вторых, организации-монополисты готовы купить конечный продукт — энергоустановку, но не готовы делать долгосрочные инвестиции, от которых отдача гарантирована очень не скоро. Во ВНИИТФ финансирование проекта по ТОТЭ не прекращалось даже в самые сложные годы. Для исследований привлекались, помимо сотрудников лаборатории, и силы технологического отделения института. Поступали и продолжают поступать средства от МНТЦ и Минатома. Но все это — капля в море и утекает как вода. Нет главного — Государственной целевой программы по водородной энергетике и топливным элементам, как во всех развитых европейских странах, США и Японии. Хотя есть положительные тенденции: это рамочная программа «Водородная энергетика и топливные элементы» между Норильским никелем и Российской академией наук, Целевая инициатива по топливным элементам МНТЦ—Минатом—Газпром. В каждой из программ свои цели, свои задачи. Отвечают ли они потребностям России — это покажет время. А оно порой бывает беспощадным. Если сейчас мы комплексно, в государственном масштабе не возьмемся за решение проблемы водородной энергетики, то шансы возродить былое величие Отечества, богатого не только природными, но и научными ресурсами, будет упущен окончательно. Образно говоря, ядро, с трудом извлеченное из крепкого орешка, ТОТЭ, прорастет и станет деревом с могучей кроной лишь когда оно ляжет на благодатную почву.