Как спасти водородные батареи
от участи утопленника
и поднять их мощность
на 75%.
Водородная энергетика — одна из самых спорных тем среди экспертов, тем не менее основанные на её парадигме топливные элементы считаются очень перспективными источниками чистой энергии. Оставляя после себя только воду, их способность превращать водород и кислород в электричество встречает на пути только одну серьёзную помеху… саму эту воду.
Проблему можно представить как дождь внутри батареи. Дело в том, что вода, образующаяся в процессе реакции, заливает поры газодиффузионного слоя, через который кислород пробирается к активным центрам. Этот слой напоминает губку, затопление которой в рамках батареи можно назвать вселенским потопом — столь сильно его воздействие. В результате снижается эффективность дорогостоящего катализатора из платины — он расходуется практически вхолостую, — чем вызывается катастрофическое падение мощности. Особенно остро эта проблема стоит при высоких нагрузках и низком содержании драгметалла.
Поиски решения с использованием других материалов пока не дают возможности приблизиться к эффективности этого катализатора, поэтому, в числе прочих изысканий, требовалось взглянуть на задачу с другого ракурса. Это удалось группе учёных из Австралии, Швейцарии и Великобритании, которая в итоге сделала то, что в нашей повседневности не считается чем-то необычным. Вместо пересмотра состава и материалов конструкции элементов питания, технологии и борьбы с самой водой, они снабдили устройства системами водоотведения. В общем, теперь у батареек будет что-то вроде ливнёвки.
Звучит, конечно, довольно просто и даже забавно, но решение действительно заслуживает внимания. Чтобы оценить его изящность, нужно знать устройство водородной батареи. Изначально оно сводится к двум токосъёмным пластинам (графитовым или металлическим), между которыми размещена мембрана с катализатором, где встречаются и реагируют водород и кислород. С внутренней стороны пластин прорезаны змеевидные газопроводы — длинные каналы, через которые газы, каждый со своей стороны, подводятся к мембране. Но подводятся они через газодиффузионные слои, расположенные между мембраной и пластинами для обеспечения их надлежащего примыкания. Похожие на войлок или школьную промокашку, эти слои представляют собой те самые пористые «губки», которые и конденсируют воду, приводя к функциональным проблемам.
Реакция кислорода и водорода естественным образом порождает воду, которая, будучи побочным продуктом в элементе питания, обычно отводится теми же газоподводящими змеевиками на токосъёмниках. Её молекулы всасываются в полости каналов из диффузионных слоёв под действием циркулирующего потока газов, который просто уносит её из системы. Однако в местах прижатия рёбер каналов к диффузионным слоям, влага скапливается в последних, выполняя роль засора в губке, отчего примыкающая к этим местам каталитическая мембрана весьма заметно теряет свою эффективность.
Авторы работы вздумали осушить именно эти места. Осуществление задуманного потребовало проведения модификации стандартного змеевидного канала течения газов на токосъёмниках. Для этого на его рёбрах были вырезаны микроскопические боковые протоки шириной всего в 100 микрон (примерно с толщину человеческого волоса). Эти микроканалы соединяют пространство под рёбрами с соседними рукавами основного газового канала. Таким образом вода, которая раньше застаивалась под ребром и блокировала доступ кислорода, теперь засасывается в боковой обходной канал и уносится основным потоком газа, а батарея перестаёт задыхаться в собственных отходах.
Это похоже на систему водоотводов на дороге, когда вместо образования огромной лужи осадки стекают в специальные желобки. При этом газодиффузионный слой по-прежнему плотно прижат к рёбрам канала, но теперь любая капля, попавшая в его поры, «чувствует» рядом «соседний канал» через его микрособрата и высасывается, словно пылесосом.
Однако результат столь тонкого преобразования оказался куда более весомым, чем могло показаться на первый взгляд. В обычных топливных элементах с низким содержанием платины (0,1 мг/см²), у которых высокая плотность тока резко просаживала эффективность вследствие затопления, новая конструкция при работе на воздухе и нормальном атмосферном давлении повысила пиковую мощность на 75%.
Особенно важно, что батарея с боковыми обходами достигает высокой мощности без необходимости создавать повышенное давление на входе. Дело в том, что в коммерческих системах на сжатие газа тратится до 35% вырабатываемой энергии. Новая технология снижает паразитные затраты с 17% до 3%, поднимая общий КПД системы с 45% до 62%. При этом оказалось, что, работая как капилляры, боковые каналы подтверждают свою эффективность не только на платиновых катализаторах, но и на более дешёвых железо-азот-углеродных (Fe-N-C), где прирост составил 33%.
Применение целого арсенала методов — от нейтронной радиографии, чтобы «увидеть» воду сквозь металл, до рентгеновской томографии и компьютерного моделирования двухфазных потоков — позволило вывести эффективность водородных систем на новый уровень. По сути, исследователи нашли способ дать воде «зелёный свет», чтобы она не заливала огонь реакции. А значит, водородная энергетика стала на шаг ближе к массовому и недорогому использованию. Теперь главная задача — масштабировать этот метод на крупные батареи.
Нацеливаясь прежде всего на разработку средств для грузовиков-дальнобойщиков, авторы всерьёз говорят, что «благодаря новому дизайну водородных топливных элементов лёгкая авиация становится намного более реалистичной». При этом низковысотным летательным аппаратам (дронам) они пророчат уже скорый переход на водородные системы, поскольку последние могут значительно увеличить время полёта по сравнению с аккумуляторными аналогами.