На создание практичных и доступных топливных элементов уйдёт ещё очень много времени, и всё же группа исследователей во главе со Шрирамом Раманатаном из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (США) уверена, что будущее ближе, чем нам может показаться.

Успехи нанотехнологий, снижение рабочих температур, разработка более богатых источников энергии и менее дорогих материалов — всё это внушает оптимизм.

Электрохимические топливные ячейки уже давно рассматриваются в качестве потенциальной экологичной альтернативы ископаемым видам топлива; особенно это касается твёрдооксидных топливных элементов (solid-oxide fuel cells, SOFC), дающих совсем немного отходов, да и те — в виде воды. Последними препятствиями перед тем, как SOFC начнут заряжать ноутбуки, телефоны и электромобили, стали надёжность, температура и стоимость.

Рис. 1. Метан, говорите? (Фото Рейтер).

В топливных элементах происходит преобразование химической энергии (водорода или углеводородного топлива — например, метана) в электрический ток. Ионы кислорода путешествуют через электролит от катода к аноду, окисляя топливо и генерируя поток электронов на обратном пути.

На словах принцип кажется довольно простым, но SOFC до сих пор более уместны в лабораториях, чем в офисах или гаражах. Приблизить время выхода топливных элементов на рынок могут важнейшие достижения, о которых Шрирам Раманатан и его команда сообщают в двух статьях, опубликованных в издании Journal of Power Sources.

В первой работе группа учёных описывает стабильные и функциональные цельнокерамические тонкоплёночные SOFC, не содержащие платины.

В тонкоплёночных SOFC электролиты доведены до сотой или даже тысячной доли своего обычного размера с помощью плотно упакованных слоёв специальных керамических плёнок — каждая в нанометр толщиной. Эти micro-SOFC обычно имеют платиновые электроды, которые дороги и ненадёжны.

Пористые металлические электроды обычно нестабильны в долгосрочной перспективе, — объясняет г-н Раманатан. — Они начинают скапливаться и создавать разомкнутые цепи». Новинка устраняет эту проблему и становится беспроигрышным вариантом: ниже стоимость, выше надёжность.

Во второй статье команда продемонстрировала метановые micro-SOFC, работающие при температуре менее 500 ˚C, — почти подвиг в этой области исследований. Традиционные SOFC функционируют при 800–1 000 ˚C, но столь высокие температуры имеют практическое значение только для стационарной энергетики. Короче говоря, для смартфонов они непригодны.

Лишь в последние годы учёные приблизились к диапазону 300–500 ˚C. При более низких рабочих температурах надёжность материала становится менее критичной; можно использовать сравнительно дешёвую керамику и металлические соединения. Кроме того, сокращается время запуска.

Особо стоит отметить использование метана — широко распространённого и дешёвого газа, тогда как до сих пор делалась ставка на водород, для получения которого в чистом виде требуется приложить немало усилий и средств.

По материалам: