Дело в химии. Как все устроено?

Самая распространенная конструкция топливного элемента сегодня – это два платиновых электрода, подключенных к электроцепи и разделенных между собой мембраной из особого полимера Нафион. Один из электродов соединен с источником газообразного водорода (баллон со сжатым газом), а второй контактирует с воздухом, поступающим снаружи. Когда молекула водорода Н₂ входит в контакт с платиновым электродом, разрывается связь между атомами водорода и каждый из атомов теряет по электрону; два электрона поступают в цепь. Когда атомы водорода теряют электроны, они превращаются в катионы, то есть ионы Н⁺, которые проходят сквозь мембрану и попадают на второй электрод, где вступают в контакт с воздухом. Молекула кислорода, поступившая из воздуха, захватывает четыре электрона из цепи и реагирует с четырьмя ионами Н⁺, образуя две молекулы воды, выбрасываемые вместо выхлопных газов. Для реакции одной молекулы кислорода необходимы, таким образом, две молекулы водорода, и вместе они образуют две молекулы воды: чисто и экологично.

Центральной деталью топливного элемента, таким образом, служат электроды из платины и полимер, который их отделяет друг от друга: вообразите, что первая топливная ячейка была изобретена еще в 1837 году химиком из Уэльса сэром Уильямом Робертом Грове, но ему не удалось распространить изобретение из-за его слишком низкой производительности. Чтобы заставить элемент работать эффективнее, нужно было решить две задачи: создать единый электрод, который бы расщеплял водород на два изолированных атома, а также найти способ быстро переправлять ионы H⁺ с одного электрода на другой. Задача с электродами была решена довольно быстро, учитывая, что сродство платины к водороду известна была давно – даже Грове использовал электроды именно из этого металла, – однако найти материал, который бы не препятствовал свободной циркуляции ионов водорода из одной части элемента в другой, оказалось куда как труднее. Только благодаря изобретению «Нафиона», созданного фирмой Дюпон в 1967 году, удалось создать подходящую мембрану, ознаменовавшую возрождение концепции топливного элемента.

Использование водорода, кажется, может решить значительную часть проблем, с которыми мы сейчас сталкиваемся: этот двигатель экологичен, топливо возобновляемо, не надо часами ждать перезарядки, и не только – даже в нынешнем состоянии водород дает плотность энергии (на единицу веса) примерно в 140 раз выше, чем самые современные аккумуляторы.

Поэтому многие исследователи начали работы в области водородной экономики, используя ее как основу развития человеческой цивилизации, предполагая, что ее энергетика будет основана не на ископаемом топливе, а на водороде. Но почему же тогда мы еще не пересели на машины на водородном топливе? Чего мы ждем? Может быть, это нефтяное лобби строит козни? Нет, все гораздо проще, проблема в том… что у нас не только нет водорода, но мы вдобавок еще и не знаем, как его хранить и перевозить!

Начнем с задачи попроще: транспортировка. Представим себе, что водород у нас есть и поэтому нет никаких проблем с поставками. Но тут возникает вопрос: как мы могли бы его распределять так же, как мы делаем с углеводородами? У нас есть газопроводы, нефтепроводы, кабели высокого напряжения, но ничего подобного, подходящего для водорода. В то время как метан транспортируется под давлением, примерно равным атмосферному, водород требует для перемещения гораздо более высоких давлений, в двести-триста атмосферных. Однако сжатие газа до такого состояния требует значительных энергетических затрат, что существенно снижает КПД всей системы и несет дополнительные риски. По сравнению с метаном водород намного более опасный газ, поэтому его хранение требует тотальной перестройки всей системы распределения и складирования. Управление машиной на автостраде с баллоном водорода под давлением в 200 атмосфер под сиденьем как-то не внушает уверенности…

Можно обсудить также вариант хранения и транспортировки водорода в составе некой молекулы, чтобы потом выделять газ в нужный момент посредством химической реакции. Эта стратегия была исследована, в частности в военной сфере, но не привела к определенным результатам. Тепловые элементы весьма интересуют военных – они не создают шума, вибраций и почти не выделяют тепла, поэтому трудно поддаются обнаружению противником. Эти двигатели были опробованы на подводных лодках, например немецкой U212, но и в этом случае результаты не были слишком обнадеживающими из-за низкой энергетической плотности и невысокого уровня обратимости процесса. Другими словами, относительно простого перетаскивания баллонов со сжатым газом, возникла проблема транспортировки еще большего груза, и процесс «подзарядки» стал медленным и малоэффективным.