Компактный топливный элемент. Топливные элементы — ячейка (Fuel Cell). Преимущества водородных топливных ячеек
Топливный элемент - это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию.
Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим системам для преобразования энергии (включая газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением выделяющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энергию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую выше 50%. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.
Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водорода и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, скорее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стационарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффективными для использования в автомобилях.
Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или населенные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с другой стороны, имеется преимущество - пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.
Одна из наиболее многообещающих систем - протонно-обменный мембранный топливный элемент - ПОМТЭ (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.
Химические процессы в топливном элементе
В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водорода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топливных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящиеся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положительный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как побочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента - водяной пар.
Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока) для получения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразователя электроэнергии заключается в преобразовании постоянного электрического тока,
произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяговый электродвигатель транспортного средства.
Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной
:
1 - анод;
2 - протонно-обменная мембрана (РЕМ);
3 - катализатор (красный);
4 - катод
Протонно-обменная мембрана топливного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента.
Отдельная ячейка топливного элемента
Рассмотрим, как устроен топливный элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячейки, проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем электрическом контуре (цепи). Для этого в нем гравируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализатора. Катод (положительный полюс топливной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора. Он также проводит электроны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с образованием воды. Электролит - протоннообменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов.
Катализатор - специальный материал, который облегчает реакцию между кислородом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеродистую бумагу или ткань. Катализатор должен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембраной (ПОМ).
Газообразный водород (Н 2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они проходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в действие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.
Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (O 2) продавливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура (цепи) с образованием молекулы воды (H 2 O).
Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много отдельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов.
Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.
На протяжении последних лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы. Многие уже продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощностными и динамическими характеристиками, хотя они имели довольно высокую стоимость.
Совершенствование конструкций таких автомобилей происходит очень интенсивно.
Автомобиль на топливных элементах, использует силовую установку, расположенную под полом автомобиля
Автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes-Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами расположена под полом автомобиля. Такое конструктивное решение дает возможность разместить в салоне автомобиля четырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топлива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (устройства, перерабатывающего метанол в водород), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование реформера на борту автомобиля дает возможность использовать в качестве топлива практически любые углеводороды, что позволяет заправлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теоретически топливные элементы не производят ничего, кроме электричества и воды. Преобразование топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, несколько снижает экологическую привлекательность такого автомобиля.
Компания Honda, которая занимается топливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей Honda FCX-V4 с протонно-обменными топливными элементами мембранного типа фирмы
Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для привода ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим моментом 272 Н м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традиционной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную динамику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.
Автомобиль Honda FСX использует для движения электрическую энергию, получаемую с помощью топливных элементов
Автомобиль Honda FCX - первый в мире автомобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нормам ZEV - Zero Emission Vehicle (автомобиль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти автомобили, а передает порядка 30 автомобилей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок.
Концептуальный автомобиль Hy Wire компании General Motors имеет силовую установку на топливных элементах
Большие исследования по разработке и созданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors.
Шасси автомобиля Hy Wire
При создании концептуального автомобиля GM Hy Wire было получено 26 патентов. Основу автомобиля составляет функциональная платформа толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управления автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Hy Wire представляет собой платформу небольшой толщины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: баллоны для водорода, топливные элементы, аккумуляторы, электродвигатели и системы
управления. Такой подход к конструкции дает возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по производству топливных элементов.
Конструкция «безопасного» топливного бака для сжиженного водорода
:
1 - заправочное устройство;
2 - наружный бак;
3 - опоры;
4 - датчик уровня;
5 - внутренний бак;
6 - заправочная линия;
7 - изоляция и вакуум;
8 - нагреватель;
9 - крепежная коробка
Проблеме использования водорода в качестве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фирмой Magna Steyer, известной своими работами по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разработала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомобилях.
Испытания подтвердили безопасность использования топливного бака с жидким водородом
Компания провела серию испытаний на безопасность конструкции по стандартным методикам и подтвердила ее надежность.
В 2002 г. на автосалоне во Франкфурте-на-Майне (Германия) был показан автомобиль Mini Cooper Hydrogen, который использует в качестве топлива сжиженный водород. Топливный бак этого автомобиля занимает такое же место, как и обычный бензобак. Водород в этом автомобиле используется не для топливных элементов, а в качестве топлива для ДВС.
Первый в мире серийный автомобиль с топливным элементом вместо аккумуляторной батареи
В 2003 г. фирма BMW объявила о выпуске первого серийного автомобиля с топливным элементом BMW 750 hL. Батарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора. Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, а топливный элемент служит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционера и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработающим двигателем.
Заправка водородом производится роботом, водитель не участвует в этом процессе
Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, которые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом.
Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на создание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные силовые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широкое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, экономическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо создать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности.
Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водородном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на водород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.
Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки - 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.
В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.
Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?
В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.
Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии . Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.
Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор . Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.
В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.
Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.
Изобретение топливных элементов
Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом ). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.
Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.
Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.
Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)
PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.
Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)
Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.
Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)
Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.
Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)
Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.
Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)
Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.
Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)
Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.
1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.
2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.
3. Электролит-протонообменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.
4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.
На рисунке показан газообразный водород (H2), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула H2 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.
Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (H2O).
Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.
Эффективность топливного элемента
Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.
Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.
Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.
Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.
Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях
Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.
У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.
Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено. Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.
Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.
Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.
Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.
Зачем нужно использовать топливные элементы?
Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.
Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.
Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.
Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.
Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды
Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.
Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.
Водородный топливный элемент компании Nissan
С каждым годом совершенствуется мобильная электроника, становясь все распространенее и доступнее: КПК, ноутбуки, мобильные и цифровые аппараты, фоторамки и пр. Все они все время пополняются новыми функциями, большими мониторами, беспроводной связью, более сильными процессорами, при этом, уменьшаясь в размерах. Технологии питания, в отличие от полупроводниковой техники, семимильными шагами не идут.
Имеющихся батарей и аккумуляторов для питания достижений индустрии становится недостаточно, поэтому вопрос альтернативных источников стоит очень остро. Топливные элементы на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением. Принцип их работы открт был еще в 1839 году Уильямом Гроуом, который электричество генерировал изменив электролиз воды.
Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее
Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.
Топливный элемент, часто называемый электрохимическим генератором, работает нижеописанным образом.
Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.
Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.
Топливный элемент своими руками
Видео: Топливный водородный элементсвоими руками
К сожалению у нас нет фотографий, как должен выглядить этот топливный элекмнт, надеямся на вашу фантазию.
Маломощный топливный элемент своими руками можно изготовить даже в условиях школьной лаборатории. Необходимо запастись старым противогазом, несколькими кусками оргстекла, щелочью и водным раствором этилового спирта (проще, водкой), которое будет служить для топливного элемента «горючим».
Прежде всего, необходим корпус для топливного элемента, изготовить который лучше из оргстекла, толщиной не менее пяти миллиметров. Внутренние перегородки (внутри пять отсеков) можно сделать немного тоньше – 3 см. Для склеивания оргстекла используют клей такого состава: в ста граммах хлороформа или дихлорэтана растворяют шесть грамм стружки из оргстекла (проводят работу под вытяжкой).
В наружной стенке теперь необходимо просверлить отверстие, в которое вставить нужно через резиновую пробку сливную стеклянную трубочку диаметром 5-6 сантиметров.
Все знают, что в таблице Менделеева в левом нижнем углу стоят наиболее активные металлы, а металлоиды высокой активности находятся в таблице в верхнем правом углу, т.е. способность отдавать электроны, усиливается сверху вниз и справа налево. Элементы, способные при определенных условиях проявлять себя как металлы или металлоиды, находятся в центре таблицы.
Теперь во второе и четвертое отделение насыпаем из противогаза активированный уголь (между первой перегородкой и второй, а также третьей и четвертой), который выполнять будет роль электродов. Чтобы через отверстия уголь не высыпался его можно поместить в капроновую ткань (подойдут женские капроновые чулки). В
Топливо циркулировать будет в первой камере, в пятой должен быть поставщик кислорода – воздух. Между электродами будет находиться электролит, а для того, чтобы он не смог просочиться в воздушную камеру, нужно перед засыпкой в четвертую камеру угля для воздушного электролита, пропитать его раствором парафина в бензине (соотношение 2 грамма парафина на пол стакана бензина). На слой угля положить нужно (слегка вдавив) медные пластинки, к которым припаяны провода. Через них ток отводиться будет от электродов.
Осталось только зарядить элемент. Для этого и нужна водка, которую разбавить с водой нужно в 1:1. Затем осторожно добавить триста-триста пятьдесят граммов едкого калия. Для электролита в 200 граммах воды растворяют 70 граммов едкого калия.
Топливный элемент готов к испытанию. Теперь нужно одновременно налить в первую камеру – топливо, а в третью – электролит. Присоединенный к электродам вольтметр должен показать от 07 вольт до 0,9. Чтобы обеспечить непрерывную работу элементу, нужно отводить отработавшее топливо (сливать в стакан) и подливать новое (через резиновую трубку). Скорость подачи регулируется сжиманием трубки. Так выглядит в лабораторных условиях работа топливного элемента, мощность которого, понятна мала.
Видео: Топливный элемент или вечная батарейка дома
Чтобы мощность была большей, ученые давно занимаются этой проблемой. На активной стали разработки находятся метанольный и этанольный топливные элементы. Но, к сожалению, пока на практику их выхода нет.
Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания
Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.
Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», « Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и превращению в электричество выделяющейся энергии. Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.
Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе
Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов , которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.
Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы
В последнее время тема топливных элементов у всех на устах. И это не удивительно, с приходом этой технологии в мир электроники она обрела новое рождение. Мировые лидеры в области микроэлектроники наперегонки представляют прототипы своих будущих продуктов, в которых будут интегрированы собственные мини электростанции. Это должно с одной стороны ослабить привязку мобильных устройств к "розетке", а с другой стороны продлить срок их автономной работы.
Кроме того часть из них работает на основе этанола, так что развитие данных технологий есть прямая польза производителям спиртных напитков – через какой десяток лет в виноводочный будут выстраиваться очереди из "айтишников", стоящих за очередной "дозой" для своего ноутбука.
Мы не можем остаться в стороне от "лихорадки" топливных элементов, охватившей Hi-Tech индустрию, и попробуем разобраться что за зверь эта технология, с чем ее едяти когда стоит ожидать ее прихода в "общепит". В этом материале мы рассмотрим путь, пройденный топливными элементами с момента открытия этой технологии до сегодняшнего дня. А также попытаемся дать оценку перспективности их внедрения и развития в будущем.
Как это было
Впервые принцип устройства топливного элемента описал еще в 1838 году Кристиан Шёнбайн (Christian Friedrich Schonbein), а уже спустя год "Философский журнал" опубликовал его статью, посвященную этой теме. Однако это были лишь теоретические изыскания. Первый же действующий топливный элемент увидел свет в 1843 году в лаборатории ученого валийского происхождения сэра Уильяма Грова (William Robert Grove). При его создании изобретатель использовал материалы сходные с теми, что применяются в современных батареях на фосфорной кислоте. Впоследствии топливный элемент сэра Грова был усовершенствован Томасом Груббом (W. Thomas Grub). В 1955 году этот химик, работавший на легендарную компанию General Electric, использовал в качестве электролита в топливном элементе ионообменную мембрану из сульфированного полистирола. Спустя лишь три года его коллега по работе Леонард Нидрах (Leonard Niedrach) предложил технологию укладки на мембрану платины, выступавшей в роли катализатора в процессе окисления водорода и поглощения кислорода.
"Отец" топливных элементов Кристиан Шёнбайн
Эти принципы легли в основу нового поколения топливных элементов, называемых в честь их создателей элементы "Грубб-Нидрах". Компания General Electric продолжила разработки в этом направлении, в рамках которых при содействии NASA и авиационного гиганта McDonnell Aircraft был создан первый коммерческий топливный элемент. На новую технологию обратили внимание за океаном. И уже в 1959 году британец Фрэнсис Бейкон (Francis Thomas Bacon) представил стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. Его патентованные разработки были в последствии лицензированы американцами и использовались в космических кораблях NASA в системах питания и снабжения питьевой водой. В том же году американец Гарри Ириг (Harry Ihrig) построил первый трактор на топливных элементах (общая мощность 15 кВт). В качестве электролита в батареях использовался гидроксид калия, а в роли реагентов применялись сжатый водород и кислород.
Впервые "на поток" выпуск стационарных топливных элементов для коммерческих целей поставила компания UTC Power, предлагавшая системы резервного электроснабжения для больниц, университетов и бизнес-центров. Эта компания, являющаяся мировым лидеров в этой области, до сих пор выпускает подобные решения мощностью до 200 кВт. Она же является главным поставщиком топливных элементов для NASA. Ее продукция широко использовалась в ходе космической программы Apollo и до сих пор востребована в рамках программы Space Shuttle. UTC Power также предлагает и топливные элементы "широкого потребления", находящие широкое применение в транспортных средствах. Ею впервые был создан топливный элемент, позволяющий получать ток при отрицательных температурах благодаря использованию протонообменной мембраны.
Как это работает
Исследователи экспериментировали с различными веществами в качестве реагентов. Однако основные принципы работы топливных элементов, несмотря на существенно отличающиеся эксплуатационные характеристики, остаются неизменными. Любой топливный элемент представляет собой устройство электрохимического преобразования энергии. Оно вырабатывает электричество из некого количества топлива (со стороны анода) и окислителя (со стороны катода). Реакция протекает в присутствии электролита (вещество содержащее свободные ионы и ведущее себя как электропроводящая среда). В принципе в любом таком устройстве есть некие реагенты поступающие в него и продукты их реакции, выводимые после осуществления электрохимической реакции. Электролит в данном случае служит лишь средой для взаимодействия реагентов и не меняется в топливном элементе. Исходя из такой схемы идеальный топливный элемент должен работать так долго, пока есть подача необходимых для реакции веществ.
Здесь нельзя путать топливные элементы с обычными батарейками. В первом случае для производства электричества потребляется некое "топливо", которое в последствии нужно заправлять вновь. В случае же с гальваническими элементами электричество хранится в замкнутой химической системе. В случае с аккумуляторами подача тока позволяет осуществить обратную электрохимическую реакцию и вернуть реагенты в исходное состояние (т.е. зарядить его). Возможны различные комбинации топлива и окислителя. Например, в водородном топливном элементе в качестве реагентов используется водород и кислород (окислитель). Нередко в качестве топлива используются гидрокарбонаты и спирты, а в роли оксидантов выступают воздух, хлор и двуокись хлора.
Реакция катализа, проходящая в топливном элементе, выбивает электроны и протоны из топлива, а движущиеся электроны образуют электрический ток. В роли катализатора, ускоряющего реакцию, в топливных элементах как правило используются платина или ее сплавы. Другой каталитический процесс возвращает электроны, объединяя их с протонами и окислителем, в результате чего образуются продукты реакции (выбросы). Как правило эти выбросы представляют собой простые вещества: воду и углекислый газ.
В традиционном топливном элементе с протонообменной мембраной (PEMFC) полимерная протонопроводящая мембрана разделяет стороны анода и катода. Со стороны катода водород диффундирует на анодный катализатор, где из него в последствии выделяются электроны и протоны. Протоны затем проходят через мембрану к катоду, а электроны, неспособные следовать за протонами (мембрана электрически изолирована), направляются по цепи внешней нагрузки (система энергоснабжения). На стороне катодного катализатора кислород вступает в реакцию с протонами, прошедшими через мембрану, и электронами, поступающими по цепи внешней нагрузки. В результате этой реакции получается вода (в виде пара или жидкости). Например, продуктами реакций в топливных элементах, использующих углеводородное топливо (метанол, дизельное топливо), являются вода и двуокись углерода.
Топливные элементы практически всех типов страдают от электрических потерь, вызванных как естественным сопротивлением контактов и элементов топливного элемента, так и электрическим перенапряжением (дополнительная энергия, необходимая для осуществления исходной реакции). В ряде случаев полностью избежать этих потерь не возможно и иногда "овчинка не стоит выделки", однако чаще всего их можно свести к допустимому минимуму. Вариантом решения этой проблемы является использование комплектов из этих устройств, в которых топливные элементы, в зависимости от предъявляемых к системе электроснабжения требований, могут подключаться параллельно (больший ток) или последовательно (большее напряжение).
Виды топливных элементов
Видов топливных элементов великое множество, однако мы постараемся вкратце остановиться на наиболее распространенных из них.
Щелочные топливные элементы (AFC)
Алкалайновые или щелочные топливные элементы, называемые также как элементы Бэкона в честь их британского "отца", являются одной из наиболее хорошо разработанной технологией топливных элементов. Именно эти устройства помогли человеку ступить на Луну. Вообще NASA использует топливные элементы этого типа уже с середины 60-ых годов прошлого века. AFC потребляют водород и чистый кислород, производя питьевую воду, тепло и электричество. Во многом благодаря тому, что эта технология прекрасно отработана, у нее один из наивысших показателей эффективности среди подобных систем (потенциал около 70%).
Однако у этой технологии есть и свои недостатки. Из-за специфики использования в качестве электролита жидкого щелочного вещества, которое не блокирует углекислый газ, возможно вступление в реакцию гидроксида калия (один из вариантов используемого электролита) с этим составляющим обычного воздуха. В результате может получиться ядовитое соединение карбонад калия. Во избежание этого необходимо использовать либо чистый кислород, либо производить очистку воздуха от углекислого газа. Естественно, это сказывается на стоимости подобных устройств. Однако не смотря даже на это, AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами, доступными сегодня.
Прямой борогидридный топливные элементы (DBFC)
Этот подтип щелочных топливных элементов использует в качестве топлива борогидрид натрия. Однако в отличие от обычных AFC на водороде, у этой технологии есть одно существенное преимущество - отсутствие риска получения ядовитых соединений после контакта с углекислым газом. Однако продуктом его реакции является вещество бура, широко используемое в моющих средствах и мыле. Бура относительно не токсична.
DBFC можно сделать даже дешевле традиционных топливных элементов, поскольку они не требуют дорогих платиновых катализаторов. К тому же они обладают большей энергетической плотностью. Подсчитано, что производства килограмма борогидрида натрия обходится в $50, но если организовать его массовое производство и наладить переработку буры, то эту планку можно снизить в 50 раз.
Топливные элементы на металлических гидридах (MHFC)
Этот подкласс щелочных топливных элементов в настоящее время активно изучается. Особенностью этих устройств является способность химически хранить водород внутри топливного элемента. Такой же способностью обладает и прямой борогидридный топливный элемент, но в отличие от него MHFC заполняется чистым водородом.
Среди отличительных характеристик этих топливных элементов можно выделить следующие:
- способность перезаряжаться от электрической энергии;
- работа при низких температурах - до -20°C;
- длительный срок хранения;
- быстрый "холодный" старт;
- способность некоторое время работать без внешнего источника водорода (на время замены топлива).
Не смотря на то, что многие компании работают над созданием массовых MHFC, пока эффективность прототипов недостаточно высока в сравнении с конкурирующими технологиями. Один из наилучших показателей плотности тока для этих топливных элементов составляет 250 миллиампер на квадратный сантиметр, при этом обычные топливные элементы стандарта PEMFC обеспечивают плотность тока в 1 ампер на квадратный сантиметр.
Электро-гальванические топливные элементы (EGFC)
Химическая реакция в EGFC проходит при участии гидроксида калия и кислорода. Это создает электрический ток между свинцовым анодом и позолоченным катодом. Напряжение, выдаваемое электро-гальваническим топливным элементом, прямо пропорционально количеству кислорода. Эта особенность позволила EGFC найти широкое применение в качестве устройств проверки концентрации кислорода в аквалангах и медицинском оборудовании. Но именно благодаря этой зависимости у топливных элементов на гидроксиде калия весьма ограниченный срок эффективной работы (пока концентрация кислорода велика).
Первые сертифицированные устройства проверки концентрации кислорода на EGFC стали массово доступны в 2005 году, но тогда не снискали большой популярности. Выпущенная спустя два года существенно модифицированная модель была гораздо успешнее и даже получила приз за "инновацию" на специализированной выставке дайверов в Флориде. В настоящее время их используют такие организации как NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и DDRC (Diving Diseases Research Centre).
Прямые топливные элементы на муравьиной кислоте (DFAFC)
Эти топливные элементы являются подтипом PEMFC-устройств с прямой подачей муравьиной кислоты. Благодаря своим специфическим особенностям эти топливные элементы имеют большие шансы в будущем стать главным средством питания такой портативной электроники, как ноутбуки, сотовые телефоны и т.д.
Как и метанол, муравьиную кислоту напрямую подают в топливный элемент без специальной стадии очистки. Хранить это вещество также намного безопаснее, чем, например, водород, к тому же не требуется обеспечивать какие-либо специфические условия хранения: муравьиная кислота является жидкостью при нормальной температуре. Более того, у этой технологии есть и два неоспоримых преимущества перед прямыми метаноловыми топливными элементами. Во-первых, в отличие от метанола, муравьиная кислота не просачивается через мембрану. Поэтому эффективность DFAFC по определению должна быть выше. Во-вторых, в случае разгерметизации, муравьиная кислота не столь опасна (метанол может вызывать слепоту, а при сильной дозировке и смерть).
Что интересно, до недавнего времени многие ученые не рассматривали эту технологию как имеющую практическое будущее. Причиной, побудившей исследователей на многие годы "поставить крест" на муравьиной кислоте, было высокое электрохимическое перенапряжение, приводившее к существенным электрическим потерям. Но результаты недавних экспериментов показали, что причина такой неэффективности была в использовании платины в качестве катализатора, которая традиционно широко применялась для этих целей в топливных элементах. После того, как ученые из Иллинойсского Университета провели ряд опытов с другими материалами, оказалось, что в случае применения палладия в качестве катализатора продуктивность DFAFC выше, чем у эквивалентных прямых метанольных топливных элементов. В настоящее время правами на эту технологию обладает американская компания Tekion, предлагающая линейку своих продуктов Formira Power Pack для устройств микроэлектроники. Эта система представляет собой "дуплекс", состоящий из аккумуляторной батареи и собственно топливного элемента. После того, как запас реагентов в картридже, заряжающем батарейку, иссякает, пользователь просто меняет его на новый. Таким образом он становится полностью независим от "розетки". Согласно обещаниям производителя, время между зарядами увеличится вдвое при том, что технология обойдется лишь на 10-15% дороже обычных батареек. Единственным серьезным препятствием на пути этой технологии может стать то, что ее поддерживает компания средней руки и ее попросту могут "завалить" конкуренты большего масштаба, представляющие свои технологии, которые могут даже уступать DFAFC по ряду параметров.
Прямые метанольные топливные элементы (DMFC)
Эти топливные элементы являются подвидом устройств с протонообменной мембраной. В них используется метанол, заправляемый в топливный элемент без дополнительной очистки. При этом метиловый спирт гораздо проще хранить и он не взрывоопасен (хотя он горюч и может вызывать слепоту). При этом у метанола энергетическая емкость существенно выше, чем у сжатого водорода.
Однако из-за того, что метанол способен просачиваться через мембрану, эффективность DMFC при больших объемах топлива невелика. И хотя по этой причине они не годятся для транспорта и крупных установок, эти устройства прекрасно подходят на роль заменителей аккумуляторных батарей на мобильных устройствах.
Топливные элементы на обработанном метаноле (RMFC)
Топливные элементы на обработанном метаноле отличаются от DMFC лишь тем, что в них метанол на стадии предшествующей выработке электричества преобразуется в водород и углекислый газ. Это происходит в специальном устройстве именуемом топливный процессор. После этой предварительной стадии (реакция осуществляется при температуре выше 250°C), водород ступает в реакцию окисления, в результате которой образуется вода и вырабатывается электричество.
Использование метанола в RMFC обусловлено тем, что он является природным носителем водорода, и при достаточно низкой температуре (по сравнению с другими веществами) может быть разложен на водород и углекислый газ. Поэтому эта технология и более совершена, чем DMFC. Топливные элементы на обработанном метаноле позволяют добиться большей эффективности, их компактности и работы при температурах ниже нуля.
Прямые этанольные топливные элементы (DEFC)
Еще один представитель класса топливных элементов с протонообменной решеткой. Как следует из названия, этанол поступает в топливный элемент минуя стадии дополнительной очистки или разложения на более простые вещества. Первый плюс этих устройств - это использование этилового спирта вместо токсичного метанола. Это означает, что не нужно вкладывать огромные деньги в налаживание этого топлива.
Энергетическая плотность спирта приблизительно на 30% выше, чем у метанола. К тому же его можно получать в больших количествах из биомассы. В целях снижения стоимости топливных элементов на этаноле, активно ведется поиск альтернативного материала катализатора. Платина, традиционно используемая в топливных элементах для этих целей, слишком дорога и является существенным препятствием на пути массового внедрения этих технологий. Решением этой проблемы могут стать катализаторы из смеси железа, меди и никеля, демонстрирующие в экспериментальных системах впечатляющие результаты.
Цинково-воздушные топливные элементы (ZAFC)
ZAFC для производства электрической энергии используют окисление цинка кислородом из воздуха. Эти топливные элементы недороги в производстве и обеспечивают достаточно высокую плотность энергии. В настоящее время их используют в слуховых аппаратах и экспериментальных электрических автомобилях.
Со стороны анода находится смесь частичек цинка с электролитом, а со стороны катода вода и кислород из воздуха, которые реагируют друг с другом и образуют гидроксил (его молекула представляет собой атом кислорода и атом водорода, между которыми существует ковалентная связь). В результате реакции гидроксила с цинковой смесью высвобождаются электроны, идущие к катоду. Максимальное напряжение, которое выдается такими топливными элементами, - это 1.65 В, но, как правило, его искусственно снижают до 1.4–1.35 В, ограничивая доступ воздуха в систему. Конечными продуктами этой электрохимической реакции являются оксид цинка и вода.
Возможно использование этой технологии, как в батарейках (без перезарядки), так и в топливных элементах. В последнем случае, камера со стороны анода очищается и заполняется вновь цинковой пастой. В целом, технология ZAFC зарекомендовали себя как простые и надежные элементы питания. Их неоспоримым плюсом является возможность управлять реакцией лишь регулируя подачу воздуха в топливный элемент. Многие исследователи рассматривают цинково-воздушные топливные элементы в качестве будущего главного источника питания электрических транспортных средств.
Микробные топливные элементы (MFC)
Идея использовать бактерии на благо человечества не нова, хотя до претворения этих задумок в жизнь дошло недавно. В настоящее время активно изучается вопрос коммерческого использования биотехнологий для производства различных продуктов (например, выработка водорода из биомассы), нейтрализации вредных веществ и производства электроэнергии. Микробные топливные элементы, еще именуемые биологическими, представляют собой биологическую электрохимическую систему, вырабатывающую электрический ток благодаря использованию бактерий. Эта технология основана на катаболизме (разложение сложной молекулы на более простую с выделением энергии) таких веществ как глюкоза, ацетат (соль уксусной кислоты), бутират (соль масляной кислоты) или сточные воды. Благодаря их окислению, высвобождаются электроны, которые передаются на анод, после чего по проводнику выработанный электрический ток поступает к катоду.
В таких топливных элементах как правило используются медиаторы, улучшающие проходимость электронов. Проблема в том, что вещества, играющие роли медиаторов, дороги и токсичны. Однако, в случае использования электрохимически активных бактерий, нужда в медиаторах отпадает. Такие "без медиаторные" микробные топливные элементы начали создавать совсем недавно и потому, пока далеко не все их свойства хорошо изучены.
Несмотря на препятствия, которые MFC еще только предстоит преодолеть, у этой технологии огромный потенциал. Во-первых, "топливо" найти не представляет особого труда. И более того, сегодня вопрос очистки сточных вод и утилизации многих отходов стоит очень остро. Применение этой технологии могло бы решить обе эти проблемы. Во-вторых, теоретически ее эффективность может быть очень высокой. Главной проблемой для инженеров микробных топливных элементов являются, и собственно важнейший элемент этого устройства, микробы. И пока микробиологи, получающие многочисленные гранды на исследования, ликуют, писатели-фантасты тоже потирают руки, предвкушая успех книг, посвященных последствиям "выхода в свет" неправильных микроорганизмов. Естественно, что риск вывести что-то такое, что "переваривало" бы не только не нужные отходы, но и что-то ценное, есть. Поэтому в принципе, как и в случае с любыми новыми биотехнологиями, люди относятся к идее носить в кармане коробочку, кишащую бактериями, с опаской.
Применение
Стационарные бытовые и промышленные электростанции
Топливные элементы находят широкое применение в качестве источников энергии во всевозможных автономных системах, как, например, космические корабли, удаленные метеостанции, военные объекты и т.д. Главное преимущество такой системы электроснабжения, чрезвычайно высокая по сравнению с другими технологиями надежность. Ввиду отсутствия в топливных элементах подвижных частей и каких-либо механизмов надежность систем энергоснабжения может достигать 99.99%. К тому же, в случае использования водорода в качестве реагента можно добиться очень малого веса, что в случае с космическим оборудованием, является одним из важнейших критериев.
В последнее время все большее распространение получают комбинированные тепло-электро установки, широко используемые в жилых домах и офисах. Особенность этих систем заключается в том, что они постоянно вырабатывают электричество, которое если не потребляется сразу, то используется для нагрева воды и воздуха. Не смотря на то, что электрическое КПД таких установок лишь 15-20%, этот недостаток компенсируется тем, что неиспользованное электричество идет на производство тепла. В целом же энергетический КПД подобных комбинированных систем составляет около 80%. Одним из лучших реагентов для подобных топливных элементов служит фосфорная кислота. Эти установки обеспечивают энергетическое КПД на уровне 90% (35-50% электричество и остальное тепловая энергия).
Транспорт
Энергетические системы на базе топливных элементов широко используются и на транспорте. К слову немцы одними из первых начали устанавливать топливные элементы на транспортные средства. Так первая в мире коммерческая лодка, оборудованная такой установкой, дебютировала восемь лет назад. Это небольшое судно окрещенное "Hydra" и рассчитанное на перевозку до 22 пассажиров было спущено на воду вблизи бывшей столицы ФРГ в июне 2000 года. В качестве энергонесущего реагента выступает водород (щелочной топливный элемент). Благодаря использованию алкалайновых (щелочных) топливных элементов, установка способна вырабатывать ток при температурах до –10°C и не "боится" соленой воды. Лодка "Hydra", приводимая в движение электрическим двигателем мощностью 5 кВт, способна развивать скорость до 6 узлов (около 12 км/ч).
Лодка "Hydra"
Гораздо большее распространение получили топливные элементы (в частности на водороде) на наземном транспорте. Вообще водород уже достаточно давно используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, и в принципе обычный двигатель внутреннего сгорания достаточно легко переоборудовать на использование этого альтернативного вида топлива. Однако традиционное сжигание водорода менее эффективно, чем выработка электричества путем осуществления химической реакции между водородом и кислородом. И в идеале водород в том случае, если он будет использоваться в топливных элементах, будет абсолютно безопасен для природы или как говорят "дружелюбен к окружающей среде", поскольку в процессе химической реакции не выделяется углекислого газа или иных веществ, умиляющих "парниковый эффект".
Правда здесь, как и следовало ожидать, есть несколько больших "но". Дело в том, что многие технологии получения водорода из не возобновляемых ресурсов (природный газ, уголь, нефтепродукты) не столь безвредны для окружающей среды, поскольку в их процессе выделяется большое количество двуокиси углерода. Теоретически если для его получения использовать возобновляемые ресурсы, то тогда вредных выбросов не будет вовсе. Однако в этом случае существенно возрастает себестоимость. По мнению многих экспертов, по этим причинам потенциал водорода, как заменителя бензина или природного газа весьма ограничен. Уже сейчас есть менее дорогостоящие альтернативы и, скорее всего, топливным элементам на первом элементе периодической таблицы так и не удаться стать массовым явлением на транспортных средствах.
Производители автомобилей достаточно активно экспериментируют с водородом в качестве источника энергии. И главной причиной тому служит достаточно жесткая позиция ЕС в отношении вредных выбросов в атмосферу. Подгоняемые все более строгими ограничениями, вводимыми в Европе, компании Daimler AG, Fiat и Ford Motor Company представили свое видение будущего топливных элементов в автомобиле строении, оборудовав подобными силовыми установками свои базовые модели. Еще один европейский автогигант Volkswagen в настоящее время готовит свой автомобиль на топливных элементах. Не отстают от них японские и южно-корейские фирмы. Впрочем, далеко не все ставят на эту технологию. Многие предпочитают модифицировать двигатели внутреннего сгорания или комбинировать их с электрическими моторами, работающими от аккумуляторов. По этому пути пошли Toyota, Mazda и BMW. Что до американских компаний, то помимо Ford с его моделью Focus, несколько автомобилей на топливных элементах представила и General Motors. Все эти начинания находят активное поощрение со стороны многих государств. Так, например, в США действует закон, согласно которому выходящий на рынок новый гибридный автомобиль освобождается от налогов, что может составлять вполне приличную сумму, ведь как правило подобные автомобили дороже своих собратьев с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Таким образом, гибриды как покупка становятся еще привлекательнее. Правда пока этот закон касается лишь выходящих на рынок моделей до достижения уровня продаж в 60000 автомобилей, после чего льгота автоматически отменяется.
Электроника
Не так давно топливные элементы начали находить все более широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах и прочих мобильных электронных устройствах. Поводом тому послужила стремительно возрастающая прожорливость предназначенных для длительной автономной работы девайсов. В результате использования в телефонах больших сенсорных экранов, мощных аудио средств и внедрения поддержки Wi-Fi, Bluetooth и прочих высокочастотных беспроводных протоколов связи, изменились и требования к емкости батарей. И, хотя аккумуляторы со времен первых сотовых телефонов шагнули далеко вперед, с точки зрения емкости и компактности (иначе сегодня болельщиков не пускали бы на стадионы с этим оружием с функцией связи), все равно они не поспевают ни за миниатюризацией электронных схем, ни за желанием производителей встроить в свои продукты все больше функций. Еще одним существенным недостатком нынешних аккумуляторных батарей является их долгий срок зарядки. Все приводит к тому, что чем больше в телефоне или карманном мультимедийном проигрывателе возможностей, призванных повысить автономность его владельца (беспроводной Интернет, навигационные системы и т.д.), тем более зависимым от "розетки" становиться это устройство.
Про ноутбуки, гораздо меньше ограниченных в максимальных размерах, и говорить нечего. Уже достаточно давно сформировалась ниша сверхпроизводительных лэптопов, вообще не предназначенных для автономной работы, если не считать таковой перенос из одного офиса в другой. И даже самые экономичные представители ноутбучного мира с трудом могут обеспечить полный рабочий день автономной работы. Поэтому вопрос поиска альтернативы традиционным аккумуляторным батареям, которая была бы не дороже, но и гораздо эффективнее, стоит очень остро. И решением этой проблемы в последнее время занимаются ведущие представители отрасли. Не так давно были представлены коммерческие топливные элементы на метаноле, массовые поставки которых могут быть начаты уже в следующем году.
Выбор исследователей пал на метанол, а не на водород, по некоторым причинам. Хранить метанол гораздо проще, поскольку для этого не нужно создавать высокое давление или обеспечивать специальный температурный режим. Метиловый спирт является жидкостью при температуре от -97.0°C до 64.7°C. При этом удельная энергия, содержащаяся в N-ом объеме метанола на порядок больше, чем в том же объеме водорода, находящегося под высоким давлением. Технология прямого метанольного топливного элемента, широко используемая в мобильных электронных устройствах, подразумевает применение метилового спирта после простого заполнения емкости топливного элемента минуя процедуру каталитического преобразования (отсюда и название "прямой метанольный"). Это также является серьезным преимуществом этой технологии.
Впрочем, как и стоило ожидать, и на все эти плюсы нашлись свои минусы, которые существенно ограничили сферу ее применения. Ввиду того, что все же эта технология до сих пор не полностью отработана, не решенным остается проблема невысокой эффективности подобных топливных элементов, вызываемой "просачиванием" метанола через материал мембраны. К тому же у них не впечатляющие динамические характеристики. Непросто разрешить и что делать с углекислым газом, вырабатываемым у анода. Современные DMFC-устройства не способны вырабатывать большую энергию, однако имеют высокую энергетическую емкость для небольшого объема вещества. Это означает, что хотя энергии много пока не получить, прямые метанольные топливные элементы могут ее вырабатывать длительное время. Это не позволяет им из-за невысокой мощности находить прямое применение в транспортных средствах, но делает их почти идеальным решением для мобильных устройств, для которых критичным является срок автономной работы.
Последние тенденции
Хотя топливные элементы для транспортных средств выпускают уже давно, до сих пор эти решения так и не стали массовыми. Причин тому немало. И главные из них - это экономическая нецелесообразность и неготовность производителей поставить выпуск приемлемого по цене топлива на поток. Попытки же форсировать естественный процесс перехода на возобновляемые источники энергии, как и можно было ожидать, не привели ни к чему хорошему. Конечно, причина резкого роста цен на сельскохозяйственную продукцию скрыта скорее не в том, что ее массово начали превращать в биотопливо, а в том, что многие страны Африки и Азии не способны производить достаточное количество продуктов даже для удовлетворения внутреннего спроса продуктов.
Очевидно, что отказ от использования биотоплива не приведет к существенному улучшению ситуации на мировом продовольственном рынке, а наоборот - может нанести удар по европейским и американским фермерам, впервые за многие годы получивших возможность неплохо зарабатывать. Но нельзя списывать со счетов и этический аспект этого вопроса некрасиво заправлять "хлеб" в баки, когда миллионы людей голодают. Потому в частности европейские политики теперь будут более прохладно относится к биотехнологиям, что уже подтверждается пересмотром стратегии по переходу на возобновляемых источников энергии.
В этой ситуации наиболее перспективной сферой применения для топливных элементов должна стать микроэлектроника. Именно здесь у топливных элементов наибольшие шансы закрепиться. Во-первых, люди, приобретающие сотовые телефоны, в большей степени готовы к экспериментам, чем, скажем, покупатели автомобилей. А во-вторых, они готовы тратить деньги и как правило не прочь "спасти мир". Подтверждением тому может служить ошеломительный успех красной "Боно"-версии плеера iPod Nano, часть денег от продаж которого поступала на счета Красного креста.
"Боно"-версия плеера Apple iPod Nano
Среди обративших свой взор на топливные элементы для портативной электроники как фирмы, ранее специализировавшиеся на создании топливных элементов и теперь просто открывших новую сферу их применения, так и ведущие производители микроэлектроники. Например, недавно компания MTI Micro, перепрофилировавшая свой бизнес на производство метанольных топливных элементов для мобильных электронных устройств, объявила о том, что в 2009 году начнет их массовое производство. Она же представила и первое в мире GPS-устройство на метаноловых топливных элементах. По мнению представителей этой фирмы, в скором будущем ее продукция полностью заменит традиционные ионно-литиевые батареи. Правда, первое время они будут недешевы, но эта проблема сопутствует любой новой технологии.
Для компании вроде Sony, недавно продемонстрировавшей свой вариант DMFC устройства питающего мультимедийную систему , эти технологии в новинку, однако они всерьез намерены не затеряться на новом перспективном рынке. В свою очередь Sharp пошла еще дальше и с помощью своего прототипа топливного элемента недавно установила мировой рекорд удельной энергетической емкости для одного кубического сантиметра метилового спирта в 0.3 Вт. Компаниям-производителям этих топливных элементов пошли на встречу даже правительства многих стран. Так аэропорты в США, Канады, Великобритании, Японии и Китая не смотря на токсичность и горючесть метанола, отменили ранее действовавшие ограничения на его провоз в салоне самолета. Конечно, это допустимо только для сертифицированных топливных элементов емкостью не более 200 мл. Все же это в очередной раз подтверждает интерес к этим разработкам со стороны не только энтузиастов, но и государств.
Правда производители все же стараются перестраховываться и предлагают топливные элементы в основном в качестве резервной системы питания. Одним из таких решений является комбинация топливного элемента и аккумуляторной батареи: пока топливо есть, оно постоянно заряжает аккумулятор, а посте того, как оно заканчивается, пользователь просто заменяет пустой картридж на новую емкость с метанолом. Еще одним популярным направлением является создание зарядных устройств на топливных элементах. Ими можно пользоваться в пути. При этом они очень быстро могут заряжать аккумуляторы. Другими словами в будущем возможно каждый будет носить такую "розетку" в кармане. Такой подход может быть особенно актуален в случае с мобильными телефонами. В свою очередь ноутбуки вполне могут в обозримом будущем обзавестись встроенными топливными элементами, которые и если не полностью заменят зарядку от "розетки", то хотя бы станут ей серьезной альтернативой.
Так согласно прогнозу крупнейшей химической компании Германии BASF, недавно объявившей о начале строительства в Японии своего центра разработки топливных элементов, к 2010 году рынок этих устройств составит $1 миллиард. При этом ее аналитики предсказывают рост рынка топливных элементов до $20 миллиардов уже к 2020 году. К слову в этом центре BASF планирует разрабатывать топливные элементы для портативной электроники (в частности ноутбуков) и стационарных энергетических систем. Место для этого предприятия выбрано не случайно ¬ главными покупателями этих технологий немецкая компания видит именно местные фирмы.
Вместо заключения
Конечно, ждать от топливных элементов, что они станут заменой существующей системы энергоснабжения, не стоит. Во всяком случае в обозримом будущем. Это палка о двух концах: портативные электростанции конечно эффективнее, ввиду отсутствия потерь, связанных с доставкой электричества к потребителю, но при этом стоит и учесть, что стать серьезным конкурентом централизованной системе энергоснабжения они смогут лишь если будет создана централизованная система поставки топлива для этих установок. То есть "розетку" в конечном итоге должна заменить некая труба, поставляющая нужные реагенты в каждый дом и каждый закуток. А это уже не совсем та свобода и независимость от внешних источников тока, о которых говорят производители топливных элементов.
У этих устройств есть неоспоримое преимущество в виде скорости зарядки - попросту сменил картридж с метанолом (в крайнем случае, откупорил трофейный Jack Daniel"s) в фотоаппарате, и опять вприпрыжку по лестницам Лувра. С другой стороны, если, скажем, обычный телефон будет заряжаться за два часа и будет требовать перезарядки каждые 2-3 дня, то вряд ли альтернатива в виде смены картриджа, продаваемого лишь в специализированных магазинах, даже раз в две недели будет уж так востребована массовым пользователем. И, конечно же, пока эти сокрытые в безопасный герметический контейнер пару сотен миллилитров топлива дойдут до конечного потребителя, его цена успеет основательно подрасти. С этим удорожанием возможно будет бороться лишь масштабом производства,¬ а будет ли этот масштаб востребован на рынке? И пока не выбран оптимальный вид топлива, решить эту проблему будет весьма проблематично.
С другой стороны комбинация традиционной зарядки от "розетки", топливных элементов и иных альтернативных систем энергоснабжения (например, солнечные батареи) может стать тем решением проблемы диверсификации источников питания и перехода на экологические их виды. Впрочем, на определенной группе электронных продуктов топливные элементы могут найти широкое применение. Подтверждением тому служит то, что компания Canon недавно запатентовала собственные топливные элементы для цифровых камер и озвучила стратегию внедрения этих технологий в свои решения. Что до лэптопов, то, если до них в скором будущем и дойдут топливные элементы, то вероятнее всего лишь в качестве системы резервного питания. Сейчас, например, речь идет в основном лишь о внешних модулей зарядки, дополнительно подключаемых к ноутбуку.
Но эти технологии имеют огромные перспективы развития в долгосрочной перспективе. В частности в свете угрозы нефтяного голода, который может наступить в ближайшие несколько десятилетий. В этих условиях важнее, даже не то насколько дешевым будет производство топливных элементов, а насколько производство топлива для них будет независимо от нефтехимической отрасли и сможет ли покрыть потребность в нем.
