Алексей Паевский, заместитель руководителя центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки», комментируя обзор работ о топливных элементах, сделанный его коллегами.
— Как работают водородные топливные элементы?
— Водородные топливные элементы — старое изобретение, их придумали еще в 1839 году, до создания аккумуляторов. Однако их практическое применение началось в 1960-е годы: уже на новом технологическом уровне их начали использовать для обеспечения электроэнергией космических аппаратов, вначале для лунных программ в США и в СССР.
Несмотря на слово «топливный», в ВТЭ нет горения, хотя суммарная химическая реакция та же: H2 + O2 = H2O. Однако эта реакция в топливном элементе «разнесена» на две половинки, на два электрода: на одном электроде окисляется водород, на другом — восстанавливается кислород, а ионы водорода переходят к кислороду сквозь протонпроводящую мембрану. В результате в цепи возникает электрический ток. Поэтому в типичном единичном водородном топливном элементе всегда есть анод, катод, биполярная пластина, разделяющая их и протонпроводящая мембрана. То, что мы видим на фотографиях,— это не один топливный элемент, а их батарея.
Водородные топливные элементы
— Какие бывают водородные топливные элементы?
— Два основных типа элементов — это ТЭ с протоннообменной мембраной (ПОМТЭ), которые работают при низких температурах (–60–80 градусов), и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), которые имеют другую конструкцию и работают при высоких температурах — в сотни градусов. Сейчас максимальное распространение имеют первые ТЭ, которые тоже бывают двух типов: с воздушным охлаждением (батареи малой мощности, до 5 кВт) и с водяным охлаждением (десятки киловатт).
— Где используются такие топливные элементы?
— Два основных направления использования ТЭ — транспорт (автотранспорт, корабли, легкие самолёты, беспилотники и т. п.) и системы накопления энергии.
Нужно понимать, что водородные автобусы и автомобили — это электромобили, в которых вместо основного литий-ионного аккумулятора стоят топливный элемент и бак со сжатым водородом, или другой источник водорода — например, водородный аккумулятор на металл-гидридах.
В нашем центре созданы водородные коптеры и водородная беспилотная автомобильная платформа, а также системы накопления энергии и первая в стране водородная заправка.
— В чем преимущество водородного топлива?
— Как я уже сказал, говорить про «топливо» не совсем корректно: водород в нём не горит. Главное преимущество — это удельная энергоёмкость. Она у водородных энергоустановок в два-три раза выше, чем у систем с литий-ионными аккумуляторами. В результате вы получаете автомобиль или беспилотник с пробегом (или временем полета), как у аппарата с двигателем внутреннего сгорания, но при этом со всеми преимуществами электромобиля: экологичность, низкий шум, низкая тепловая сигнатура. При этом время заправки водородного транспорта сопоставимо с бензиновым, в то время как электромобиль заряжается — даже на быстрой зарядке — в восемь—десять раз дольше.
— Каковы минусы использования водорода в качестве топлива?
— Главный минус — дорогая заправочная инфраструктура. И начальное распространение водородного транспорта требует очень больших вложений именно в заправочную инфраструктуру. Водородная заправка гораздо дороже зарядной станции.
— Насколько безопасны водородные топливные элементы?
— Сами элементы безопасны. Водород же, конечно, как и любой горючий газ, представляет опасность. Но при правильной эксплуатации водород оказывается безопаснее метана или пропана. Особенно последнего, поскольку в отличие от пропана водород значительно легче воздуха и очень быстро улетучивается с места утечки.
Источник: «Коммерсантъ».