Электричество из воды

Вот, новый водород...
Никому ранее не известная шведская компания Powertrekk представила необычный девайс с одноименным названием — зарядное устройство для батарей портативных гаджетов, работающее на обычной воде!

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Небольшая коробочка зарядного устройства Powertrekk генерирует внутри себя водород из воды, затем при помощи протонно-обменной мембраны превращает его в электрический ток: подключаете USB-шнур, телефон или фотоаппарат, и пошла зарядка! Происходит это так: в устройство вставляется картридж под названием PowerPukk в виде небольшого диска с химическим реактивом и заливается вода. Картридж и вода являются расходными материалами — через некоторое время работы вода заканчивается, а содержимое PowerPukk, прореагировав, превращается в экологически безопасные отходы — силикаты щелочных металлов. Затем устанавливаем новый картридж, заливаем свежую воду, и энергия пошла снова, цикл повторяется!

Powertrekk представляет собой два самостоятельных агрегата в одном корпусе: химический генератор водорода и электрогенератор в виде протонно-обменной мембраны. Основное ноу-хау — именно химический генератор водорода, ибо протонно-обменная мембрана известна в качестве источника тока достаточно давно. Однако начнем рассказ именно с нее — в качестве краткого вводного ликбеза по топливным элементам :-)

ОБМЕН ПРОТОНАМИ

Протонно-обменная мембрана, работающая на водороде, — один из самых изученных и наиболее часто используемых на практике типов топливных элементов.

Мембрана — электрохимическое устройство. Она преобразует химическую энергию в электрическую, причем с весьма высоким КПД. Если обычный бензиновый мотор преобразует бензин в тепло, тепло — во вращение вала, а вал в свою очередь крутит электрогенератор, вырабатывающий ток, то в топливном элементе с мембраной топливо (водород) трансформируется в электроэнергию напрямую, без лишних этапов, без лишних потерь.

Водород благодаря платиновому катализатору разлагается на электроны и положительно заряженные ионы, после чего поступает на мембрану — тончайшую полимерную пластину, умеющую пропускать протоны, но задерживать электроны. Одна сторона мембраны — "плюс", другая — "минус". В результате на минусовой стороне электроны создают отрицательный заряд, а на плюсовой положительный заряд создают ионы. Подключив к обеим сторонам мембраны по проводу, получаем на них ток напряжением приблизительно 1 В.

Поскольку одна мембрана дает 1 В напряжения, то для практического использования их соединяют последовательно в батареи — например, 100 мембран = 100 В.

Топливные элементы на основе водородной протонно-обменной мембраны имеют высокий КПД, экологически безопасны — при работе не выделяют никаких вредных веществ, не шумят, лишь немного нагреваются. Почему же они тогда столь мало распространены? Дело в том, что непонятно по большому счету где брать для них... водород!

Но как же так: вокруг нас сплошной водород — в воде и в воздухе! Так-то оно так, но только использовать его в топливных элементах нельзя, нужен именно чистый Н2. А значит, водород нужно произвести (выделить, скажем, из воды при помощи электролиза — достаточно энергозатратного процесса!), затем как-то расфасовать в некие емкости, транспортировать... Все это непросто и трудоемко. Наделать мембранных топливных элементов – нехитрое дело, хоть маленьких для ноутбуков, хоть больших для электромобилей. Но как обеспечить их легкую, дешевую и безопасную заправку водородом? Несмотря на то что такие системы уже питают некоторые устройства — от игрушечных автомобильчиков до реальных прототипов известных автобрендов, вопрос создания водородной инфраструктуры до сих пор ни в одной стране мира не решен...

ВОДОРОД ПО-ШВЕДСКИ?

Впрочем, после распространения новостей о зарядном устройстве от Powertrekk немудрено задуматься: неужто-таки свершилась водородная революция? Теперь не нужен электролиз, баллоны с водородом под страшным давлением и прочая и прочая? Стало быть, отныне водород можно получать при помощи простой и экологически чистой химической реакции?

Мы попросили специалиста-химика разобраться в тонкостях химических процессов в Powertrekk. И несмотря на то, что устройство пока еще не появилось в продаже, выяснили все подробности о специфике его работы. Вот что рассказал F5 Всеволод Володин, кандидат химических наук:

— Топливные элементы давно нашли применение в военной и космической аппаратуре, однако в "гражданской" массовой электронной технике они применяются пока очень скромно. Впрочем, ряд компаний уже выпускает зарядные устройства для мобильных телефонов и портативной техники на основе топливных элементов. Как правило, в качестве топлива в них используется метиловый спирт. Но есть и водородные — например, знаменитая игрушечная машинка Horizon FCT H-Racer. Водород в ней получается из воды путем электролиза от тока солнечной батареи, затем поступает в машину и попадает на протонно-обменную мембрану, которая дает ток для электромоторов игрушки.

В разработке Powertrekk используется не электролиз, а гидролиз — химический способ извлечения водорода из воды. Подобные реакции химикам известны достаточно давно и сами по себе по большому счету открытием не являются. Существует немало веществ, реакция которых с водой приводит к выделению H2. Но в качестве способов добычи водорода они, как правило, не используются, ибо либо слишком мал выход газа, либо слишком дороги компоненты. Ноу-хау Powertrekk (а вернее, американской химической компании Signa Сhemistry, технологию которой применяют шведы) заключается в разработке достаточно эффективного химического состава, реакция которого с водой проходит в обычных условиях, при комнатной температуре, давлении, без катализатора и т. д.

В качестве этого вещества Signa и Powertrekk используют силицид натрия, который после реакции превращается в силикат, действительно вполне экологически безопасную субстанцию. Но тем не менее у такого способа есть недостатки. Например, в качестве побочного продукта во время реакции образуется весьма ядовитый газ силан (SiH4). Хотя после окончания реакции силан сам собой исчезает, в процессе работы он представляет реальную опасность в случае повреждения картриджа. Плюс силан нужно тщательно отделять от водорода перед введением в топливный элемент, иначе мембрана быстро выйдет из строя, а это может стать существенной проблемой в карманном устройстве.

Поэтому использование силицида натрия для получения водорода представляется нерациональным. Для этих целей можно использовать гидриды лития, натрия, кальция или алюминия, также выделяющие при взаимодействии с водой чистый водород. Наиболее выгодным с точки зрения количества запасенного водорода на единицу массы будет гидрид лития, однако он очень дорог, а литий токсичен. Поэтому оптимальным, с моей точки зрения, было бы использование гидрида кальция, так как его взаимодействие с водой протекает спокойно, а стоимость невелика.

P.S. В общем, увы, но, похоже, революции в очередной раз не произошло... Можно с достаточной долей уверенности утверждать, что электричество из воды на самом деле будет достаточно дорогим и пригодным лишь в устройствах, подобных заряднику Powertrekk, смысл которого не функциональность, а оригинальность — фактически научно-популярная игрушка. Так что, если кто-то уже представил себе электромобиль, который не нуждается в многочасовой зарядке батарей, а может ехать сразу после заправки водой и "волшебным порошком", расслабьтесь! Водородная эра пока далеко.