Сибирские ученые работают над созданием «водородных» батареек
21.12.2016
Сибирские ученые работают над созданием «водородных» батареек
«Наука в Сибири»
21 декабря 2016
Исследователи уже много лет стремятся разработать способ получения электроэнергии нестандартным способом. На это их толкает ряд причин: интерес к более удобным и компактным источникам питания, независимость от стационарных источников тока, безопасность для окружающей среды. Всё это сочетают в себе генераторы энергии, принцип работы которых основан на интеграции топливных элементов и водородных батареек. Они разрабатываются в лаборатории исследования гидридных соединений Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
Водород является обязательным компонентом химических, металлургических и электротехнических производств; с его помощью наполняют метеозонды и поднимают со дна моря затонувшие корабли. В последнее десятилетие активно развивается новое направление использования водорода в качестве генератора энергии для топливных элементов (ТЭ) — автономных источников, «трансляторов» электричества. Однако для этого необходимо выбрать исходные вещества, содержащие наибольшее количество водорода. Таковыми являются гидриды: например, амминборан содержит до 1/5 водорода по массе. Несмотря на привлекательность подобного источника, генерация этого химического элемента — довольно сложная задача: прежде всего, из-за высокой температуры процесса. Также имеют место побочные реакции, снижающие выход водорода, и пенообразование, приводящее к увеличению объёма водородгенерирующего материала в несколько раз.
— Эти проблемы мы решаем, добавляя к амминборану стабилизирующие компоненты, — поясняет младший научный сотрудник, аспирант Николай Леонидович Кайль. — В результате повышается надежность, снижается температура процесса до 85 °С, увеличивается скорость газогенерации, устраняется пенообразование. Но минусом данного процесса является снижение содержания водорода до 8,1 % по массе. Тем не менее, этот показатель превышает самые жесткие мировые требования потенциальных потребителей на сегодняшний день (7,5 %), и в нашей лаборатории продолжают разрабатываться подходы к увеличению выхода данного химического элемента.
Кроме того, в лаборатории ИК СО РАН ведется работа по созданию генераторов водорода на основе взаимодействия воды с боргидридом натрия без подвода тепла. Это делается для конструирования «водородной» батарейки с «водородными» таблетками, содержащими до 10 % этого элемента по массе. Интеграция такого устройства с топливным элементом должна обеспечивать получение электричества после заправки водой: буквально из любой лужи. Подобные автономные энергоустановки нужны людям, не имеющим прямого доступа к стационарным источникам тока: военным, путешественникам, жителям Африки или Севера. Эти генераторы востребованы и на стремительно развивающемся рынке беспилотных летательных аппаратов.
— Например, турист пошёл в поход, — говорит Николай Кайль. — Если он хочет использовать гаджеты, их нужно как-то заряжать. Даже самые современные аккумуляторы весят довольно много, и хватит их всего на пару дней. Здесь же ему предлагается взять с собой компактное устройство, состоящее из топливного элемента и «водородной» батарейки.
Генератор водорода подсоединяется проводом (например, USB) к топливному элементу, от которого, в свою очередь, заряжается необходимое человеку устройство. В зависимости от мощности ТЭ меняется его размер. Объём получаемой энергии зависит от количества таблеток, взятых с собой: ими несложно запастись, так как сама установка весит немного. Кроме того, топливо из водорода является экологически чистым, ведь при окислении этот химический элемент образует только воду.
— Для зарядки необходимого человеку устройства требуется получать водород с определенной скоростью, что делается с помощью катализаторов на основе платиновых металлов: родия, платины, рутения, — добавляет заведующая лабораторией ИК СО РАН доктор химических наук Валентина Ильинична Симагина. — Мы достигли очень важных результатов, предложив альтернативу металлам платиновой группы: дешевые кобальтовые катализаторы. Это значительно снижает расходы на создание и эксплуатацию «водородных» батареек.
Уже сейчас мировые автопроизводители предлагают машины, работающие на этом химическом элементе — Toyota Mirai, Hyundai ix35, Honda Clarity, Lexus LS и т.д. В них двигатели внутреннего сгорания заменены на ТЭ, которые заправлены газообразным водородом, хранящимся под высоким давлением в громоздких баллонах. Так что на сегодняшний день остро стоит вопрос оптимизации массогабаритных характеристик энергоустановок на основе топливных элементов, в том числе за счет создания компактных генераторов водорода.
— Мы уже прошли этап фундаментальных исследований, — констатирует старший научный сотрудник лаборатории ИК СО РАН кандидат химических наук Ольга Владимировна Нецкина. — Нами были отмечены особенности каталитического гидролиза боргидрида натрия и изучена стабильность гидридсодержащих материалов, модифицированных различными добавками. Это является основой для создания «водородных» батареек и таблеток. Поддержка таких работ позволит уже через несколько лет выйти на рынок данной высокотехнологичной продукции.
Сейчас ученые Института катализа совместно с коллегами из стран БРИКС — Южной Африки, Китая, Индии — подали проект в Российский фонд фундаментальных исследований. Он направлен на развитие исследований в области получения водорода из амминборана. Реализация этого проекта позволит разработать подходы увеличения выхода водорода при содержании даже более чем 8,1 % по массе.