Физики придумали, как сделать топливные элементы эффективнее

Разработка, описанная в журнале Physical Chemistry, Chemical Physics, может найти применение в топливных элементах и сделать их эффективнее. 

Топливные элементы

 Топливные элементы состоят из отдельных ячеек, каждая из которых является гальваническим элементом, ближайшие родственники которой – аккумулятор и батарея. Батарейки преобразуют энергию реакции окислителя и восстановителя, прекращая работу с расходом этих реагентов, а аккумулятор может запасать приложенную к нему извне электроэнергию, преобразуя ее в химическую и отдавать ее, совершая обратное преобразование. 

Топливные элементы потребляют то горючее, которое можно было бы сжечь в обычных двигателях внутреннего сгорания с образованием все тех же основных продуктов - водяного пара в случае водорода и водяного пара с углекислым газом в случае органического топлива. Однако перед традиционным двигателем топливный элемент имеет как минимум два преимущества: во-первых, процесс идет при пониженной температуре и без ряда вредных побочных выбросов вроде оксидов азота; во-вторых, топливный элемент может иметь гораздо более высокий КПД. С другой стороны топливная ячейка, она же электрохимический генератор, получает необходимые для работы вещества извне. Эти вещества - восстановитель (обычно водород, метанол или метан) и окислитель, кислород. 

Подача вещества из стороннего источника позволяет получать электроэнергию от топливной ячейки без перерывов на подзарядку электрическим током до тех пор, пока ее детали сохраняют работоспособность. Основные элементы такого генератора – катод и анод, разделенные ионообменной мембраной.

На катоде происходит диссоциация восстановителя – от молекулы водорода (или иного топлива) отделяется электрон и, соответственно, образуется положительно заряженный ион водорода, протон. Мембрана пропускает протоны, но задерживает электроны -- эти частицы вынуждены идти "дальней дорогой", через внешнюю электрическую цепь. Только пройдя через эту цепь (то устройство, которое питает топливный элемент) они могу попасть на анод, где их уже ждут кислород и прошедшие через мембрану протоны для того, чтобы соединиться и образовать воду. Таким образом, вынужденные обходить мембрану электроны создают во внешней цепи ток, который можно использовать. 

Зачем нужны топливные элементы и почему они пока не применяются массово 

Топливные элементы потребляют то горючее, которое можно было бы сжечь в обычных двигателях внутреннего сгорания с образованием все тех же основных продуктов - водяного пара в случае водорода и водяного пара с углекислым газом в случае органического топлива. Однако перед традиционным двигателем топливный элемент имеет как минимум два преимущества: во-первых, процесс идет при пониженной температуре и без ряда вредных побочных выбросов вроде оксидов азота; во-вторых, топливный элемент может иметь гораздо более высокий КПД. 

Если бензиновый или дизельный электрогенератор ограничен термодинамическими законами (они принципиально не дадут получить, к примеру, 80% эффективности) — то на топливные ячейки эти ограничения не распространяются. При решении ряда технологических проблем, топливные элементы имеют хорошие шансы вытеснить как минимум двигатели внутреннего сгорания. Однако предварительно нужно наладить специальную инфраструктуру (тот же водород нужно где-то хранить, для него требуются особые заправочные станции, трубопроводы, рассчитанные на очень высокие давления топливные баки) и избавить сами топливные элементы от ряда недостатков. 

Подбор правильной мембраны играет если не ключевую, то весьма важную роль в совершенствовании топливных элементов -- материал, из которого она сделана, должен быть по возможности недорогим, химически стойким, технологичным и при этом поры в нем должны обеспечивать должную избирательность. Такие материалы химики и физики ищут не простым перебором множества веществ вслепую, а целенаправленными экспериментами по созданию наноструктур с заранее заданными свойствами.