Топливные элементы и батареи

Наноструктурированные материалы, в т.ч. катализаторы на основе наночастиц, играют важную роль в развитии технологии производства топливных элементов. В топливных элементах обычно используются катализаторы, состоящие из металлических наночастиц размером 1–5 нм в углеродной матрице. Наиболее перспективные элементы – наномарганец, наноаланат марганца и нанотитан1.

Существенный недостаток твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) – высокая рабочая температура. Для современных твердооксидных элементов она составляет около 1000 °С. Сплавы, которые можно использовать при таких условиях, стоят весьма дорого. Высокая температура необходима прежде всего потому, что при более низких температурах проводимость обычных материалов и скорость катодных реакций невелики. Оказалось, что наноструктурированные материалы, предназначенные для использования в топливных элементах, имеют хорошую проводимость как ионов, так и электронов и при существенно более низких температурах2.

В топливных элементах на основе полимерэлектролитной мембраны (Polymer Electrolyte Membrane, PEM) используется платина. Она дорога, а также чувствительна к уровню окиси углерода. Таким образом, существует возможность введения нанотехнологий, заменяющих определенные материалы новыми, более эффективными по соотношению цена-качество соединениями. Даже в твердооксидных элементах в качестве материала анода используется никель, который портится при контакте с серой в системе.

Нанотехнологии способны заменить никель на нечувствительный к сере материал. Компания "3М" объявила об увеличении времени жизни катализаторов в полимерэлектролитных мембранах, произведенных с использованием наноструктурированных тонких пленок.

На рис. 4 показан оптимистический прогноз проникновения на рынок солнечных батарей, топливных элементов и термоизоляции.

Рис. 4 Оптимистический прогноз проникновения на рынок солнечных батарей, топливных элементов и термоизоляции

Уникальные свойства наноматериалов используются и для решения других задач по улучшению работы батарей и аккумуляторов. Например, углеродные нанотрубки позволяют запасать большее количество энергии по сравнению с традиционными графитными электродами. Так, электроды на основе монослойных углеродных нанотрубок увеличивают производительность как аккумуляторов, так и топливных элементов.

Одна из возможностей повышения производительности аккумуляторов с помощью нанотехнологий – использование уникальных физических свойств материала, появляющихся при условии его наноструктурирования. Например, Сю и его соавторы продемонстрировали различное поведение материалов электродов в наномасштабе, показав, что обнаруженные явления могут расширить их выбор для аккумуляторов и топливных элементов, включая более дешевые и экологически чистые материалы. Компания Toshiba использует наночастицы для уменьшения редукции жидкого органического электролита при перезарядке литий-ионных батарей.

На рис. 5 представлены ожидаемые доходы от вывода на рынок топливных элементов и батарей.

Рис. 5 Ожидаемые доходы от вывода на рынок топливных элементов и батарей. Консервативная оценка, млн. долларов США

Источник: www.nanoposts.com

http://energypolis.ru/portal/2007/89-nanolixoradka.html

НАНОЛИХОРАДКА →

Раздел: 2007, Сентябрь

Опубликовано: 20-09-2007, 11:58 | Комментарии (0) | Сообщить об ошибке

Бум новых технологий вызывает больше вопросов, чем приносит ответов на вызовы времени Мало кто сомневается, что сейчас начинается расцвет нанотехнологий. Журналисты охотно развивают эту тему, политики раздают ЦУ и выделяют на исследования миллиарды. Молчат, похоже, только экономисты и, как это ни странно, ученые. Хотя именно они еще тридцать лет назад начали агитировать политиков повернуть в сторону нанотехнологий. Уже тогда были открыты материалы с совершенно новыми свойствами, при помощи которых можно было манипулировать веществами на молекулярном уровне. Но главное - создавать вещества, которые могли бы приобретать новые свойства. Упор и тогда, и сейчас делается в первую очередь на энергетическую отрасль. НАНОВЛОЖЕНИЯ И НАНОРИСКИ Американцы давно прислушались к мнению ученых, и их нововведения уже не один год работают, экономя колоссальные ресурсы топлива. Благодаря их методикам удалось запустить в производство десятки полезных изобретений - от новых "некремниевых" солнечных батарей, отличающихся большей производительностью и низкой себестоимостью за счет CIGS-пленок, производящих столько же электричества, сколько 200-300-микронный полупроводниковый кремниевый элемент, до технологии обработки угля на молекулярном уровне таким образом, чтобы создавать из него экологически чистое жидкое топливо или использовать нанокатализаторы для очистки нефти. Китайцев необходимость создать альтернативу нефти побудила стать партнером американцев и начать производство полученного искусственного топлива вместо мазута. По данным аналитиков, во всем мире деньги, вкладываемые в развитие нанотехнологий, до недавнего времени выделялись только из государственных бюджетов. Бизнес молча наблюдал за результатами исследований и лишь вел предварительные переговоры с государственными наноконцернами. Так продолжалось до позапрошлого года, когда мировую промышленность охватил нанобум. Сейчас коммерсанты из разных стран, похоже, вступили в гонку друг с другом, вкладывая все больше денег в "технологии будущего". Так, в 2005 году американские компании обогнали правительственные вложения в отрасль, инвестировав в нанотехнологии 1,7 млрд долларов против бюджетных 1,6 млрд долл. В Японии и Китае бизнес уже почти догнал государство, вложив в целом 1,4 млрд долл. против 1,6 млрд долл. бюджетных. Европейцы отстают, но аналитики связывают этот факт с осторожностью европейских бизнесменов. В этом году в нанотехнологии там инвестировали только 650 млн долл. против 1,3 млрд долл., выделенных правительствами. Некоторое недоверие европейского бизнеса можно понять. Научные круги, "раскрутившие" наноиндустрию как отрасль, выгодную для вложений, с каким-то маниакальным упорством подчеркивают, что предлагаемые разработки имеют практическое обоснование и ни о каком "мыльном пузыре" речи быть не может. И одновременно с этим большая часть вкладываемых денег уходит на фундаментальные исследования. В России ситуация с доверием бизнеса науке как всегда несколько иная. Ученые всеми силами пытаются поддерживать уровень отрасли на мировом уровне, притом что на практике их работа фактически не используется. - Мы уже одиннадцать лет создаем продукт для авиакосмической отрасли, машиностроения, сельского хозяйства, - комментирует ситуацию генеральный директор концерна "Наноиндустрия" Михаил Ананян. - Но это только наша организация, мы научились жить и зарабатывать без помощи государства. В целом, по моему мнению, наше отставание в практическом применении нанотехнологий от других стран составляет 7-10 лет. Видимо, в связи с незаинтересованностью отечественного бизнеса, которая наблюдалась до недавнего времени, сейчас российские инвесторы пытаются понять, как и во что вкладывать деньги. Напротив, на западном рынке работают десятки тысяч мелких предприятий, так или иначе связанных с наноиндустрией. Это слово гипнотизирует многих инвесторов, и они не сомневаясь перекладывают деньги в чужие карманы. Во многих случаях карманы эти оказываются бездонными, и вложенные средства просто пропадают. Этим и объясняется настороженность европейских инвесторов. КУЛЬТ "НАНО" В глазах большинства отечественных бизнесменов приставка "нано" приобрела сакральный смысл. И дело не столько в осознании перспективности направления, сколько в увлеченности руководства страны идеей светлого нанобудущего. Быть наноинвестором сейчас равнозначно публичному признанию в поддержке курса руководства страны, поэтому предприниматели, которые дорожат своим бизнесом, выстроились в очередь, чтобы проинвестировать отрасль. При этом чиновники сейчас особенно заинтересованы в инвестициях в угольную отрасль, в которой нанотехнологии могут дать быструю отдачу. Уголь является доминирующим видом топлива. И именно угольная доля в топливно-энергетическом балансе является показателем эффективности экономики. Это игла, на которой сидит почти 40% мирового производства электроэнергии, и спрос на него растет опережающими темпами. Если же нанотехнологии начнут применяться в угольной отрасли, то Россия может обогнать весь мир по показателям доли угля в электроэнергетике. Искусственный перекос ТЭБ в сторону газа уже сейчас дает свои результаты. Чиновники это хорошо понимают, поэтому и акцентируют внимание инвесторов к угольной отрасли. К сожалению, инвесторы, зачастую вкладывая деньги в нанотехнологии, не задумываются, что их миллионы могут быть использованы не по назначению. Причем не чиновниками, с этим уже все смирились, а псевдоучеными, которые, прикрываясь громкими именами своих преподавателей, логотипами уже облапошенных крупных компаний, проводят свои "исследования". Поэтому, прежде чем начать инвестировать в предлагаемые проекты, неплохо бы было посчитать, окупит ли проект вложенные средства и подключить к делу службу безопасности. Иначе велика вероятность того, что деньги пропадут. На рынке вскоре ожидается и новый вид мошенничества, пришедшего с Запада. По мнению аналитиков, в ближайшее время на рынке появятся "нанокомпании", использующие работы западных ученых. Под видом своих разработок они будут предлагать нашим бизнесменам вкладывать деньги в развитие уже законченных исследований для дальнейшего применения в производстве. Или же будут предлагать наладить производство уже отработавших свой век "новинок". Отрасль нанотехнологий очень быстро развивается, и любому открытию через месяц или два может найтись более перспективный и усовершенствованный заменитель. Потому кроме рисков быть обманутыми мошенниками от науки, нужно учитывать фактор чуть ли не моментального исчезновения интереса к продукции, в которую были вложены миллионы. Противостоять наплыву мошенников может только государство. Но пока никаких видимых шагов по предупреждению обманов инвесторов не видно. НЕДОВОЛЬСТВО ИЛИ ОПАСЕНИЯ? Молчат и экономисты-теоретики, и ученые. Не секрет, что помимо очевидных плюсов, у новых технологий есть и минусы. Минус для российской экономики эксперты видят в том, что в экономически слабой стране, в которой не решены десятки проблем - от предоставления более-менее сносного жилья гражданам до модернизации производства - миллиарды направили на развитие новой, пускай очень перспективной, но находящейся на начальной стадии практического внедрения результатов развития отрасли. Подобные примеры уже были в истории России и в позапрошлом веке, и в 30-е годы ХХ века, когда все экономические и человеческие ресурсы были брошены на строительство заводов и фабрик. При этом подавляющее большинство народа жило впроголодь и в нечеловеческих условиях. В то же время, например, в Германии экономический подъем сопровождался соответствующим повышением уровня жизни населения. - Я не вижу какого-то эффекта от развития этой отрасли в ближайшем будущем, - комментирует ситуацию научный руководитель Высшей школы экономики Евгений Ясин. - Это просто альтернатива реформам, проекты. Может, это звучит грубо, но ситуацию с подобными нововведениями можно описать так - занимались реформами, бросили, стали заниматься проектами. Хотя если руководство страны хочет прорваться в лидеры в этой сфере, конечно, нужно тратить большие деньги. Недовольство стратегией введения высказывают и ученые. И неудивительно, исследования в этом направлении проводятся сейчас только в рамках академических институтов, изредка вузов. Частично попадаются разделы с результатами исследований в отраслевые программы. В то время как за границей лет через десять рынок нанотехнологий превзойдет рынки, связанные с электроникой, медициной, химией, энергетикой. Показатели для электроники составят 45 млрд долларов. Что будет у нас - неизвестно, все идеи "продвинуть" отрасль заканчиваются привлечением инвесторов и созданием межведомственных и прочих комиссий и комитетов, функции которых сводятся к подготовке докладов о достижениях наших перспектив. - Мы уже несколько лет пытаемся добиться того, чтобы в государстве появилась программа введения нанотехнологий, - говорит директор концерна "Наноиндустрия"Михаил Ананян. - То, что делается сейчас, я программой назвать не могу. По-моему, программа - это когда есть перечень задач, деньги, ответственные за реализацию, а главное - определены результаты, на которые надо ориентироваться. Я такой программы не вижу. По оценкам и экономистов, и ученых, при появлении программы развития и четкого ее выполнения практическое применение достижений нашей науки в области нанотехнологий достигнет уровня США не раньше чем через пять-семь лет. Тогда уже можно будет говорить о претензиях на попадание в число лидеров нанодержав. Хотя и тогда лидерство в мировом нанорейтинге, скорее всего, будет таким же условным, как и сейчас. То есть будет определяться не реальными практическими достижениями и открытиями в этой области, так как самые передовые достижения в любой стране являются гостайной, а количеством вложенных денег. Деньгами, к сожалению, измеряется и заинтересованность отечественной бюрократии в продвижении тех или иных реформ. Именно с такой позицией чиновников и связан весь скептицизм экономистов. Ведь в России никто не может исключить, что деньги, выделенные на отрасль, не будут распределены по кошелькам чиновников. Когда-то в научных кругах ходила шутка, что для увеличения практической пользы от науки нужны не зарубежные менеджеры, а зарубежные аудиторы. В случае с нанотехнологиями эта шутка приобретает еще большую актуальность, так как от результатов проведения в жизнь идей правительства напрямую зависит безопасность страны. в 2005 году американские компании обогнали правительственные вложения в отрасль, инвестировав в нанотехнологии 1,7 млрд долларов против бюджетных 1,6 млрд долл. В Японии и Китае бизнес уже почти догнал государство, вложив в целом 1,4 млрд долл. против 1,6 млрд долл. Бюджетных По мнению генерального директора концерна "Наноиндустрия" Михаила Ананяна, отставание России в практическом применении нанотехнологий от других стран составляет не менее чем 7-10 лет. По мнению аналитиков, в ближайшее время на рынке появятся "нанокомпании", использующие работы западных ученых. Под видом своих разработок они будут предлагать нашим бизнесменам вкладывать деньги в развитие уже законченных исследований для дальнейшего применения в производстве Арам Тер-Газарян

http://www.ecoatominf.ru/info/nanotexnologii.htm