Платиновые металлы в электрохимической энергетике

В.Н. Фатеев
НИЦ «Курчатовский институт»
	
	Электрохимическая энергетика является заметной составной частью энергетики в целом, но не по общей мощности химических (электрохимических) источников тока, а по их количеству и значимости в нашей жизни. К сожалению ни в СССР, ни в России не существовало программ Федерального уровня по НИР и ОКР в области химических источников тока (электрохимической энергетики), что привело к определенному отставанию в этой области. В результате теперь мы носим часы, используем сотовые телефоны, карманные фонарики, ноутбуки и т.д. с батарейками и аккумуляторами, произведенными даже не в Европе, США или Японии, а уже в Китае. Водородная энергетика, а значит и водородные топливные элементы, относятся в России к критическим технологиям, но после инициативы администрации Б. Обамы по развитию электротранспорта на литий-ионных аккумуляторах (как альтернатива развития транспорта на водородных топливных элементах) интерес в России к этому направлению заметно упал, хотя интерес к развитию НИР и ОКР в области аккумуляторов существенно не возрос.
	Большое внимание к электрохимической энергетике и химическим источникам тока в первую очередь обусловлено их крайне высокой эффективностью (КПД) и, в ряде случаев, высокой экологической чистотой. Это обусловлено тем, что преобразование химической энергии топлива в этих системах идет в одну стадию, минуя стадию получения тепловой и механической энергии, а в случае использования водорода, как топлива, в качестве единственного продукта («выброса») образуется дистиллированная вода.
	Основными системами электрохимической энергетики являются первичные (батарейки) и вторичные (аккумуляторы) химические источники  тока, суперконденсаторы, металло-воздушные источники тока, топливные элементы, а так же электролизеры для получения водорода (топлива для топливных элементов).
	Большинство из химических источников тока  (первичные (батарейки) и вторичные (аккумуляторы) химические источники тока, суперконденсаторы, металло-воздушные источники тока) не требуют применения металлов платиновой группы. Однако в случае наиболее перспективных систем – топливных элементов – металлы платиновой группы являются во многих случаях обязательным компонентом.
	Топливные элементы обычно разделяют по электролиту, рабочей температуре и виду топлива. Основными типами являются водно-щелочные, твердополимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные топливные элементы, работающие в основном на водороде. В отдельную группу выделяют топливные элементы с другими видами топлива и, в первую очередь, топливные элементы на метаноле.
	На данном этапе, реально, все топливные элементы являются «потребителем» металлов платиновой группы. Это обусловлено как требованиям к химической стойкости, так и каталитической активности. Пожалуй единственным возможным исключением в ближайшем будущем станут твердооксидные топливные элементы, работающие при 800-1000оС, где каталитическая активность уже не так важна, а необходимую химическую стойкость могут обеспечивать и некоторые другие металлы и электронпроводящие оксиды.
	В случае электролизеров можно выделить «традиционные» водно-щелочные электролизеры и перспективные твердополимерные и твердооксидные электролизеры. Если первые, за счет щелочного электролита, весьма эффективно могут использовать такие металлы, как никель и железо, то остальные являются потребителями платиновых металлов.
	Основными металлами платиновой группы, используемыми в этих системах являются платина, иридий, рутений и палладий. Золото также рассматривается, как материал для химически стойких покрытий.  Расход металлов платиной группы составляет около 4-6 г/кВт, а перспективный рынок весьма велик и это тонны платиновых металлов. При этом для производителей топливных элементов и электролизеров наибольший интерес представляют водорастворимые соли платиновых металлов (например, гексахлорплатиновая кислота) для синтеза катализаторов и сами катализаторы. Следует отметить, что в России компании не выпускают катализаторы для топливных элементов и электролизеров и рынок (пусть пока и маленький) закрепился за зарубежными компаниями.
	Области применения этих электрохимических систем: транспорт, автономная (децентрализованная) энергетика, включая энергетику на базе возобновляемых источников энергии, системы аварийного/резервного обеспечения, а так же некоторые отрасли промышленности. 
	В частности, для отдельно стоящих удаленных  жилых объектов, оптимальным решением проблемы энергообеспечения являются системы возобновляемой энергетики с электролизером для запасания энергии в виде водорода, и топливные элементы для последующего производства электрической и тепловой энергии. Мощность таких энергоустановок составит, в основном, 5-100 кВт, что соответствует потреблению металлов платиновой группы около 40-800 г. Следует отметить, что для освоения Арктики, такие системы, пожалуй, не имеют альтернативы. Транспорт, начиная с автомобилей и кончая авиацией, так же может эффективно использовать водородные топливные элементы. Разработки таких систем ведет НИЦ «Курчатовский институт». Интересной в научном плане и практически важной задачей является, например, проблема защиты газопроводов от коррозии и автономное энергообеспечения станций с контрольно-измерительной аппаратурой ОАО «Газпром», где  топливные элементы имеют несомненные перспективы. Здесь достаточно эффективно работают предприятия Корпорации «ТВЭЛ». 
	Следует также отметить потенциальный для России рынок рутения для производства хлора мембранным электролизом и возможные перспективы мембранных электролизеров для получения озона, перекиси водорода и даже утилизации диоксида и/или монооксида углерода.
	Безусловно, такая новая техника (и энергетика) требуют поддержки на Федеральном уровне и если эта поддержка возникнет, то если не тонны, то сотни килограмм платиновых металлов могут быть востребованы уже в ближайшие годы.