Ни кого уже не удивишь ни солнечными панелями, ни ветряками, которые во всех регионах мира вырабатывают электроэнергию. Но выработка от этих устройств не постоянна и приходится устанавливать резервные источники питания, либо подключаться к сети для получения электроэнергии в период, когда объекты ВИЭ не вырабатывают электроэнергию. Однако существуют установки, разработанные в 19 веке, которые используют «альтернативное» топливо для получения электроэнергии, т.е не сжигают газ или нефтепродукты. Такими установками являются топливные элементы.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ

Топливные элементы (ТЭ) или топливные ячейки были открыты еще в 1838-1839 году Уильямом Гроувом (Гроу, Грове), когда он изучал электролиз воды.

Справка: Электролиз воды - процесс разложения воды под действием электрического тока на молекулы водорода и кислорода

Отключив от электролитической ячейки батарею, он с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событием в энергетике. В дальнейшем он создал аккумулятор Гроува. В этом устройстве был платиновый электрод, погруженный в азотную кислоту, и цинковый электрод в сульфате цинка. Он генерировал ток в 12 ампер и напряжение 8 вольт. Сам Гроу назвал эту конструкцию «мокрой батарейкой» . Затем он создал аккумулятор, используя два платиновых электрода. Один конец каждого электрода находился в серной кислоте, а другие концы запечатаны в контейнеры с водородом и кислородом. Между электродами был стабильный ток, внутри контейнеров увеличивалось количество воды. Гроу смог разложить и улучшить воду в этом устройстве.

«Аккумулятор Гроу»

(источник: Королевское сообщество Национального музея естественной истории)

Термин «топливный элемент» (англ. «Fuel Cell») появился лишь в 1889 году Л. Мондом и
Ч. Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Топливный элемент — относительно простое устройство . В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. ТЭ оснащены еще одним элементом — мембраной. Превращение химической энергии топлива непосредственно в электричество, происходит благодаря работе именно мембраны. Она отделяет две камеры элемента, в которые подают топливо и окислитель. Мембрана позволяет проходить из одной камеры в другую только протонам, которые получаются в результате расщепления топлива, на электроде, покрытом катализатором (электроны при этом пробегают по внешней цепи). Во второй камере протоны воссоединяются с электронами (и атомами кислорода), образуя воду.

Принцип работы водородного топливного элемента

На химическом уровне процесс превращения энергии топлива в электрическую энергию схож с обычным процессом горения (окисления).

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Посмотрим что происходи при окислении водорода кислородом в среде электролита и при наличии электродов.

Подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде протекает химическая реакция:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Как видно получим электроны, которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Видно, что результирующая реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе получается электрический ток и частично тепло .

ВИДЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Классифицировать ТЭ принято по виду электролита использующемся для протекания реакции:

Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

КПД ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Особенностью топливных элементов является отсутствие жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин.

Справка: КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами.

Поэтому КПД топливных элементов в теории может быть выше 100%. Многие улыбнулись и подумали «Вечный двигатель изобрели значит». Нет, тут стоит вернуться к школьному курсу химии. В основе топливного элемента лежит преобразование химической энергии в электрическую. Вот тут и возникают чудеса. Определённые химической реакции в процессе протекания могут поглощать теплоту из окружающей среды.

Справка: Эндотермические реакции — химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты. Для эндотермических реакций изменение энтальпии и внутренней энергии имеют положительные значения (Δ H>0, Δ U>0), таким образом, продукты реакции содержат больше энергии, чем исходные компоненты.

Примером такой реакции может служить окисление водорода, которая и используется в большинстве топливных элементов. Поэтому теоретически КПД может больше 100%. Но сегодня топливные элементы в процессе работы нагреваются и не могут поглощать теплоту из окружающей среды.

Справка: Это ограничение накладывает второй закон термодинамики. Не возможен процесс передачи тепла от «холодного» тела к «горячему».

Плюс ко всему имеются потери, связанные с неравновесными процессами. Такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Поэтому топливные элементы не вечные двигатели и КПД их меньше 100%. Но их КПД больше, чем у остальных машин. Сегодня эффективность топливного элемента достигает 80% .

Справка: В сороковые годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими (источник: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Практически все топливные элементы в качестве топлива используют водород, так что возникает логичный вопрос: «Где его взять?»

Кажется, открыли топливный элемент в результате электролиза, вот и можно использовать водород выделившейся в результате электролиза. Но давайте разберем этот процесс подробнее.

Согласно закону Фарадея: количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Значит, чтобы получить больше водорода необходимо потратить больше электроэнергии. Существующие методы электролиза воды проходят с кпд меньше единицы. Затем полученный водород мы используем в ТЭ, где кпд также меньше единицы. Следовательно мы затратим энергии больше, чем сможем выработать.

Конечно, можно использовать водород, получаемый из природного газа. Этот способ получения водорода остается самым дешевым и популярным. В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Но возникает проблема с хранением и транспортировкой водорода. Водород имеет маленькую плотность (один литр водорода весит 0,0846 гр ), поэтому чтобы транспортировать его на дальние расстояния его необходимо сжимать. А это дополнительные энергетические и денежные затраты. Так же не стоит забывать о безопасности.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H 2 и CO 2 . Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

Катализатор

Для повышения протекания реакции в ТЭ поверхность анода обычно катализатором. До не давнего времени в качестве катализатора использовалась платина. Поэтому стоимость топливного элемента была высока. Во-вторых, платина относительно редкий металл. По мнению специалистов, при промышленном производстве топливных элементов разведанные запасы платины закончатся через 15-20 лет. Но ученые всего мира пытаются заменить платину на другие материалы. Кстати некоторые из них достигли неплохих результатов. Так китайские ученые заменили платину на окисел кальция (источник: www.cheburek.net).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Впервые топливный элемент в автотехники испытали в 1959 г. Трактор Элис-Чемберз, использовал для работы 1008 аккумуляторов. Топливом являлась смесь газов, в основном пропана и кислорода.

Источник: http://www.planetseed.com/

С середины 60-ых в разгар «космической гонки» топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытаны в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл". В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе (источник: http://www.powerinfo.ru/).

Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Поэтому свою популярность ТЭ стали приобретать на фоне всеобщей заинтересованности в экологии.

Уже в настоящее время производители автомобилей, такие как «Honda», «Ford», «Nissan» и «Mercedes-Benz» создали автомобили работающие на водородных топливных элементах.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force, работающий на водороде

При использовании автомобилей на водороде, решается проблема с хранением водорода. Строительство заправок с водородом позволит получить возможность заправки в любом месте. Тем более заправлять автомобиль водородом быстрее, чем заряжать электромобиль на заправке. Но при реализации подобных проектов столкнулись с проблемой как у электромобилей. Люди готовы «пересесть» на автомобиль на водороде, если будет инфраструктура для них. А строительство заправок начнется, если будет достаточное количество потребителей. Поэтому опять пришли к дилемме яйца и курицы.

Широкое применение топливные элементы нашли в мобильных телефонах и ноутбуках. Уже прошло то время когда телефон заряжали раз в неделю. Сейчас телефон заряжается, чуть ли не каждый день, а ноутбук без сети работает 3-4 часа. Поэтому производители мобильной техники решили синтезировать топливный элемент с телефонами и ноутбуками для зарядки и работы. Например, компания «Toshiba» в 2003г. продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Опять же, та же «Toshiba» демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Но некоторые производители пошли дальше. Компания «PowerTrekk» выпустила зарядное устройство с одноименным названием. PowerTrekk - первое зарядное водяное устройство в мире. Использовать его очень легко. В PowerTrekk необходимо добавить воды, чтобы обеспечить мгновенную подачу электричества через шнур USB. Данный топливный элемент содержит кремниевый порошок и силицид натрия (NaSi) при смешивании с водой, данное сочетание генерирует водород. Водород смешивается с воздухом в самом топливном элементе, и он преобразует водород в электричество посредством его мембранно-протонного обмена, без вентиляторов или насосов. Купить такое портативное зарядное устройство можно за 149 € (

Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно.

Устройство

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую.

Устройство топливного элемента включает три основные части:

1. Секция выработки энергии;
2. Процессор;
3. Преобразователь напряжения.

Основной частью топливного элемента является секция выработки энергии, которая представляет батарею, выполненную из отдельных топливных ячеек. В структуру электродов топливных ячеек включен платиновый катализатор. При помощи этих ячеек создается постоянный электрический ток.

Одно из таких устройств имеет следующие характеристики: при напряжении 155 вольт выдается 1400 ампер. Размеры батареи составляют 0,9 м в ширину и высоту, а также 2,9 м в длину. Электрохимический процесс в нем осуществляется при температуре 177 °C, что требует нагревания батареи в момент пуска, а также отвода тепла при ее эксплуатации. С этой целью в состав топливного элемента включается отдельный водяной контур, в том числе батарея оснащается специальными охлаждающими пластинами.

В топливном процессе происходит преобразование природного газа в водород, который требуется для электрохимической реакции. Главным элементом топливного процессора является реформер. В нем природный газ (или иное водородсодержащее топливо) взаимодействует при высоком давлении и высокой температуре (порядка 900 °C) с водяным паром при действии катализатора — никеля.

Для поддержания необходимой температуры реформера имеется горелка. Пар, который требуется для реформинга, создается из конденсата. В батарее топливных ячеек создается неустойчивый постоянный ток, для его преобразования применяется преобразователь напряжения.

Также в блоке преобразователя напряжения имеются:

• Управляющие устройства.
• Схемы защитной блокировки, которые отключают топливный элемент при различных сбоях.

Принцип действия

Простейший элемент с протонообменной мембраной состоит из полимерной мембраны, которая находится между анодом и катодом, а также катодными и анодными катализаторами. Полимерная мембрана применяется в качестве электролита.

• Протонообменная мембрана выглядит как тонкое твердое органическое соединение небольшой толщины. Данная мембрана работает как электролит, она в присутствии воды разделяет вещество на отрицательно, а также положительно заряженные ионы.
• На аноде начинается окисление, а на катоде происходит восстановительный. Катод и анод в PEM-элементе выполнены из пористого материала, он представляет смесь частичек платины и углерода. Платина работает в роли катализатора, что способствует протеканию реакции диссоциации. Катод и анод выполнены пористыми, чтобы кислород и водород сквозь них свободно проходили.
• Анод и катод находятся между двумя металлическими пластинами, они подводят кислород и водород к катоду и аноду, а отводят электрическую энергию, тепло и воду.
• Сквозь каналы в пластине молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы.
• В результате хемосорбции при воздействии катализатора атомы водорода преобразуются в положительно заряженные водородные ионы H+, то есть протоны.
• Протоны диффундируют к катоду через мембрану, а поток электронов идет к катоду через специальную внешнюю электрическую цепь. К ней подключена нагрузка, то есть потребитель электрической энергии.
• Кислород, который подается на катод, при воздействии вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода из протонообменной мембраны. В результате данной химической реакции появляется вода.

Химическая реакция, происходящая в топливных элементах иных типов (к примеру, с кислотным электролитом в виде ортофосфорной кислоты H3PO4) полностью идентична реакции устройства с протонообменной мембраной.

Виды

На текущий момент известно несколько видов топливных элементов, которые различаются составом применяемого электролита:

• Топливные элементы на базе ортофосфорной или фосфорной кислоты (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Устройства с протонообменной мембраной (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Электрохимические генераторы на базе расплавленного карбоната (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

На текущий момент большее распространение получили электрохимические генераторы, использующие технологию PAFC.

Применение

Сегодня топливные элементы используются в «Space Shuttle», космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья, в том числе для охлаждения оборудования.

Электрохимические генераторы также применялись для энергоснабжения советского «Бурана», корабля многоразового использования.

Топливные элементы находят применение и в гражданской сфере.

• Стационарные установки мощностью 5–250 кВт и выше. Они находят применение в качестве автономных источников для тепло- и электроснабжения промышленных, общественных и жилых зданий, аварийных и резервных источников электроснабжения, источников бесперебойного питания.
• Портативные установки мощностью 1–50 кВт. Они применяются для космических спутников и кораблей. Создаются экземпляры для тележек для гольфа, инвалидных колясок, железнодорожных и грузовых рефрижераторов, дорожных указателей.
• Мобильные установки мощностью 25–150 кВт. Они начинают применяются в военных кораблях и субмаринах, в том числе автомобилях и иных транспортных средствах. Опытные образцы уже создали такие автомобильные гиганты, как «Renault», «Neoplan», «Toyota», «Volkswagen», «Hyundai», «Nissan», ВАЗ, «General Motors», «Honda», «Ford» и другие.
• Микроустройства мощностью 1–500 Вт. Они находят применение в опытных карманных компьютерах, ноутбуках, бытовых электронных устройствах, мобильниках, современных военных приборах.

Особенности

• Часть энергии химической реакции в каждом топливном элементе выделяется в виде тепла. Требуется охлаждение. Во внешней цепи поток электронов создает постоянный ток, используемый для совершения работы. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.
• Количество электроэнергии, которую создают топливные элементы, определяется давлением газа, температурой, геометрическими размерами, видом топливного элемента. Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно сделать размеры топливных элементов больше, но на практике применяют несколько элементов, которые объединяются в батареи.
• Химический процесс в некоторых видах топливных элементов может быть обратным. То есть при подаче разности потенциалов на электроды воду можно разложить на кислород и водород, которые будут собираться на пористых электродах. С включением нагрузки подобный топливный элемент будет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективы

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода, топливные элементы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

• Автомобили будут работать на топливных элементах, ДВС в них вообще не будет. В качестве источника энергии будет применяться вода или твердотельный водород. Заправка будет простой и безопасной, а езда экологичной – будет вырабатываться только водяной пар.
• Все здания будут иметь собственные портативные энергогенераторы, выполненные на топливных элементах.
• Электрохимические генераторы заменят все аккумуляторы и будут стоять в любой электронике и бытовых приборах.

Достоинства и недостатки

У каждого вида топливного элемента свои недостатки и достоинства. Одни требуют высокого качество топлива, другие имеют сложную конструкцию, нуждаются в высокой рабочей температуре.

В целом же можно указать следующие достоинства топливных элементов:

• безопасность для окружающей среды;
• электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
• электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
• гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

• технические трудности с хранением и транспортом топлива;
• несовершенные элементы устройства: катализаторы, мембраны и так далее.

Топливная ячейка (Fuel Cell ) — это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.

Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC).

Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод - кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток - для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.

Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.

Твердооксидные ячейки

Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation - частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве - реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы.

При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.

Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе.

Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств - в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.

Виды топливных ячеек

В настоящее время существуют такие виды топливных ячеек:

• AFC – Alkaline Fuel Cell (щелочная топливная ячейка);
• PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell (фосфорно-кислотная топливная ячейка);
• PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell (топливная ячейка с протонной обменной мембраной);
• DMFC – Direct Methanol Fuel Cell (топливная ячейка с прямым распадом метанола);
• MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell (топливная ячейка расплавленного карбоната);
• SOFC – Solid Oxide Fuel Cell (твердооксидная топливная ячейка).

Топливные элементы Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент «вмонтирован» в каждую живую клетку (см. гл.2).

Источником водорода в организме служит пища – жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном счете раскладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.

Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).

Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.

Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект – электролизер вырабатывал электрический ток.

Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет – появляется пламя.

Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:

C + O2 = CO2 + тепло

В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.

Горение – обмен электронов между атомами, а электрический ток – направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.

Основа любого ХИТ – два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. гл. 2). На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2–). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.

В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:

газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается «всеядным».

Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо «готовить». Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.

Два направления развития ТЭ

Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.

Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.

Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.

После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.

В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).

С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.

После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.

Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.

Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют «Янус». Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.

В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.

Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии – топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами*.

* Газгольдер [газ + англ. holder держатель] – хранилище для больших количеств газа.

Первое поколение ТЭ

Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде*. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

* Технический водород – продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода.

Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.

Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% – это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния – от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.

Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.

Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций – 30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ

Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:

снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.

Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.

В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.

Виктор ЛАВРУС.

Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобно
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.