Топливо будущего: аммиак в качестве энергоносителя
16 декабря 2013 г.
Эксперты едины во мнении, что в автомобиле двигатель внутреннего сгорания перспективы не имеет и в обозримом будущем уступит место электроприводу. Соответственно, инженерная мысль активно работает над разработкой различных технических решений питания электромобиля. Один из реализованных на практике вариантов - аккумулятор, заряжаемый от стационарной розетки. Другой вариант - сменные аккумуляторы.
Но делать ставку на гальванические элементы вовсе не обязательно. Ничуть не менее перспективным представляется привод от топливных элементов. Как и в аккумуляторах, источником энергии здесь тоже служит электрохимическая реакция, но, в отличие от гальванических элементов, расходуемые вещества для этой реакции поступают извне, а не ограничены внутренними запасами. Поскольку преобразование химической энергии в электрическую в топливных элементах происходит напрямую, минуя связанный с большими потерями процесс горения, их эффективность может быть очень высокой - по крайней мере, теоретически. Практике, как водится, выглядит менее радужной.
Осуществимость идеи доказана полвека назад
Впрочем, технология некоторых разновидностей топливных элементов разработана неплохо - это касается, прежде всего, тех конструкций, в которых топливом служит водород. Есть и модели, работающие на метиловом спирте. Теперь группа немецких инженеров решила обратить более пристальное внимание на аммиак.
Тут сыграли роль два обстоятельства: во-первых, аммиак является одним из важнейших продуктов химической промышленности, мировое производство которого достигает 150 миллионов тонн в год, а во-вторых, жидкий аммиак по содержанию запасенной химической энергии вполне сравним с бензином или дизельным топливом, но для использования в двигателях внутреннего сгорания не годится.
Это и побудило группу химиков из Геттингенского университета во главе с профессором Свеном Шнайдером (Sven Schneider) взяться за изучение вопроса о применимости аммиака в качестве энергоносителя для топливного элемента. "Топливный элемент, способный работать на аммиаке, был впервые реализован в 60-х годах прошлого века, - поясняет ученый. - Тогда появилась первая публикация на эту тему, тогда же был выдан и первый патент. Однако многие проблемы до сих пор не решены - так, плотность тока очень низкая, и прочность мембраны совершенно недостаточна. Но то, что такой топливный элемент в принципе осуществим, - это уже доказано".
Мембрана, катализатор... Проблем хватает!
Упомянутая исследователем протонопроводящая мембрана, отделяющая поток топлива от потока окислителя, - это важнейшая часть топливного элемента. Как правило, она изготовляется из полимерных материалов, хотя есть мембраны и из керамики. Но аммиачный топливный элемент предъявляет к мембране особые требования: поскольку аммиак является основанием, его раствор обладает ярко выраженными щелочными свойствами. "Мембрана - это серьезная проблема для аммиака. В последние годы широкое применение находят мембраны на основе оксидов - они могли бы подойти и для аммиачного топливного элемента. Но их долговременная стабильность изучена пока совершенно недостаточно. То есть работы в этом направлении находятся еще на очень ранней стадии".
Впрочем, сейчас геттингенских химиков больше заботит другая проблема - они ищут оптимальный катализатор. "Пока что мы используем соединения иридия, - говорит профессор Шнайдер. - Это растворимые катализаторы. Хотя проще было бы иметь дело с гетерогенным катализатором, который наносится в виде покрытия на твердые поверхности - электроды или мембрану. Такие технологии сегодня уже применяются весьма широко".
Перспективы заманчивы, но туманны
Впрочем, поскольку иридий входит в число самых редких и дорогих металлов платиновой группы, едва ли его использование в качестве катализатора может способствовать выходу аммиачного топливного элемента на массовый рынок. Тем более что такая конструкция исследована пока несравненно хуже, чем, скажем, топливный элемент на водороде.
Но о выходе на рынок речь пока и не идет, признает профессор Шнайдер: "На сегодняшний день топливный элемент на аммиаке - это сугубо академическая проблема. Но я считаю крайне важным при поиске энергоносителей будущего рассматривать все имеющиеся варианты и возможности - все без исключения. А какие из этих потом будут реализованы на практике и окажутся самыми эффективными, - это сегодня не поддается прогнозированию".