Отдел продаж
8 (499) 755-89-57
Лодки, запчасти
8 (499) 755-89-57

Водородные топливные элементы принцип работы и устройство


Основные принципы работы топливного элемента

Одной из характерных особенностей современного этапа развития человечества является быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии традиционными способами, путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях, сопровождается химическим и радиационными загрязнениями окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать 1 % от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца. Возможности наращивания энергетического потенциала за счет строительства гидроэлектростанций ограничены гидроресурсами, а также необходимостью отчуждения под водохранилища значительных площадей плодородных земель. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источнику энергии, однако перечисленные выше недостатки в той или иной степени будут присущи и термоядерным электростанциям. Эти причины и вынуждают разрабатывать нетрадиционные способы получения электроэнергии.

В последние годы все более возрастает интерес к проблеме высокоэффективных способов преобразования энергии, возникающей на стыке наук: физики, химии, техники. Сущность этой проблемы заключается в непосредственном, т. е. без промежуточных стадий, преобразовании одного вида энергии в другой при полном исключении из процесса такого вида энергии, как механическая. К рассматриваемым способам относятся, например, основанное на термоэлектрическом эффекте Зеебека непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую, прямое получение холода из электроэнергии при помощи обратного эффекту Зеебека эффекта Пельтье, прямое получение электроэнергии из световой в фотоэлектрических элементах и, наконец, непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую в так называемом топливном элементе.

Все эти физические явления и процессы в принципе уже давно известны и относятся к обычным методам получения энергии. В отличие от атомного реактора, в котором энергия получается как результат перехода одной формы материи в другую, рассмотренные выше методы характеризуются переходом одной формы энергии в другую согласно первому закону термодинамики.

Из всех этих методов получения и аккумулирования энергии наибольшим успехом в настоящее время пользуется метод, основанный на преобразовании накопленного водорода в топливном элементе. Такой успех вызван тем, что разработка топливных элементов требует относительно скромных усилий и затрат в отличие от расщепления или синтеза ядерного горючего, а гораздо более высокий по сравнению с современными тепловыми электростанциями КПД топливного элемента позволяет значительно сэкономить запасы ископаемых видов топлива.

Устройство, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию, называется топливным элементом (ТЭ). Для начала рассмотрим историческое развитие технологии топливного элемента.

Краткая история развития топливных элементов

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым У. Гроувом, который 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, У. Гроув назвал «газовой батареей», которая представляла собой первый топливный элемент. Несмотря на это изобретение, в течение последующих 100 лет практического применения эта идея так и не нашла, а была лишь научной диковиной.

В 1937 г. профессор Ф. Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х гг. он разработал стек из 40 топливных элементов, имеющий мощность 5 кВт. Этот стек мог быть применен для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъемника. Щелочную топливную батарею ученый запатентовал в 1959 г. Она работала при высоких температурах (200 °С и более) и давлениях (20…40 бар) и была достаточно массивна и тяжела.

Благодаря таким преимуществам топливного элемента, как отсутствие радиоактивных продуктов реакции, возможность аккумулирования избыточной энергии с последующим ее использованием при пиковых нагрузках и, наконец, возможность применения в военной технике, в ходе развития топливного элемента всегда наблюдалось финансирование работ и обеспеченность кадрами. В свое время работы получили мощный толчок со стороны ракетной и космической техники, где необходимы надежные источники энергии, обладающие высокими КПД и большими удельными мощностями и энергиями, а стоимость не имеет столь большого значения. Благодаря этому отпали материальные затруднения, которые сначала препятствовали развитию топливных элементов, когда считалось, что топливный элемент по капитальным затратам и стоимости вырабатываемой энергии должен быть конкурентоспособным с другими источниками энергии.

Активное развитие технологий использования топливных элементов началось в 1960-х гг. и было связано с развитием аэрокосмической отрасли, мировым нефтяным кризисом, а также с ужесточением холодной войны и гонкой вооружения между США и СССР. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х гг. специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали щелочные топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (космические полеты на Луну). Купив лицензию на патент Ф. Бэкона им удалось усовершенствовать эту технологию таким образом, что при 250 °С топливная батарея могла вырабатывать плотности тока до 1 А/см2. Установки на базе таких топливных элементов использовали криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 ч 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. Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, употребляется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.

В конце 1950-х гг. сотрудниками компании «General Electric» Т. Грабом и Л. Нидрахом был изготовлен твердополимерный топливный элемент (ТПТЭ). Изначально они использовали сульфированные полистироловые мембраны в качестве твердого электролита. В 1966 г. эти мембраны были заменены мембранами «Нафион» фирмы «Dupon». Разработка новой мембраны внесла большой вклад в развитие топливных элементов. Эти мембраны показывали лучшие характеристики при работе в топливном элементе с точки зрения эффективности и долговечности и являются и по сей день наиболее применяемыми в технологии твердополимерных топливных элементов. ТПТЭ активно использовались для обеспечения электроэнергией космического корабля «Jimini». После окончания его полетов исследовательские работы в этой области были приостановлены, так как в НАСА видели больший потенциал в щелочных ТЭ, которые на тот момент были более эффективны.

Подъем интереса к топливным элементам наблюдался также с 1980-х гг. в связи с потребностью в создании экологически безопасного транспорта и экологически безопасных автономных стационарных энергоустановок, работающих с высоким КПД. Рост фундаментальных и практических исследований наблюдался в области портативных источников питания на базе топливных элементов с начала 2000-х гг. Спрос на портативные источники энергии очень велик и продолжает расти с развитием и широким внедрением портативной электроники (плееры, мобильные телефоны, портативные карманные компьютеры и др.). Также существует необходимость в источниках питания для нужд военной техники (например, в сенсорах и зарядных устройствах).

История развития топливных элементов имеет скачкообразный характер с момента открытия и до сегодняшнего дня. Это связано с политическими и социальными аспектами, а также с развитием новых технологий и материалов. За последние годы достигнуты существенные успехи в развитии и коммерциализации ТЭ. Это, несомненно, доказывает, что в скором будущем они станут широко использоваться для получения энергии. Для этого необходимо тесное взаимодействие ученых, инженеров, инвесторов и правительства. В большинстве развитых стран это взаимодействие уже привело к внедрению новых технологий, которые позволяют обезопасить жизнь будущих поколений.

Топливный элемент

Топливный элемент (электрохимический генератор) — это 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.

Рис. 1.2. Простейшая схема топливного элемента

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. 1.2). Основу ТЭ составляют два электрода, разделенные твердым или жидким электролитом. Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит — электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления. В результате этих реакций образуются ионы А— и В+ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции АВ) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создается избыточный положительный заряд.

При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Епол. Суммарная реакция: А + В = АВ + Q + Eпол. Электролит в ТЭ не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для эффективной работы ТЭ необходимы развитая поверхность электродов (до сотен квадратных метров на грамм вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.

Достоинства и недостатки топливных элементов

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии. ТЭ энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для них нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. КПД 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, получаемой в ходе электрохимической реакции, эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.

Важное преимущество топливных элементов — их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов очень малы. 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. Кроме того, топливный элемент открывает перспективы для развития электротранспорта, не создающего при движении запахов и шума.

Одной из проблем при работе топливного элемента является то, что электрохимическая реакция идет при комнатной температуре очень медленно, чтобы прореагировала заметная часть молекул нужны сотни лет. Для топливного элемента это оборачивается очень низкой удельной мощностью. Для ускорения анодной и катодной реакций используют дорогостоящий катализатор или поднимают температуру ячейки. Не стоит забывать и том, что наиболее эффективно использовать в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки, очистки и транспортировки. В перспективе рассмат — ривается 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 (рис. 1.3), работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.

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. Основной вклад в стоимость топливного элемента вносят дорогостоящие катализатор и электролит.

Современный топливный элемент состоит из тонкой (от 50 до 250 мкм) пленки «Нафион», покрытой с двух сторон катализатором (анодным и катодным), к каталитическим слоям прижаты токосъемники из газопроницаемого пористого материала, хорошо проводящего электричество.

На сегодняшний день стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выше стоимости электроэнергии от обычных источников питания, работающих на ископаемых источниках энергии. Конечно, она непрерывно уменьшается, и в ближайшие лет десять ожидается снижение стоимости кислород-водородного топливного элемента. Стоит также отметить, что стоимость эксплуатации зависит от дороговизны водорода, тем более что топливный элемент согласен потреблять только очень чистый водород — примеси, особенно угарный газ, отравляют платиновый катализатор.

Таким образом, несмотря на заметный прогресс в области топливных элементов со времени экспедиции на Луну, их энергия остается все еще слишком дорогой для широкого применения — если дело касается энергоснабжения жилья, предприятий и средств транспорта. Чтобы водородный топливный элемент стал конкурентом тепловых и атомных электростанций, его энергия должна подешеветь не менее чем в восемь раз, причем должен подешеветь как сам элемент, так и водород за счет усовершенствования технологий его выработки.

Типы топливных элементов

Обычно топливные элементы классифицируют по типу электролита. Наиболее распространенные из них указаны в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Основные типы топливных элементов

Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Зачастую именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков и других портативных устройств, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной (твердополимерный ТЭ), отличающиеся низкими рабочими температурами. Однако на сегодняшний день стоимость твердополимерного топливного элемента очень высока.

Высокая стоимость твердополимерного топливного элемента связана с дороговизной материалов, а также с высокой стоимостью топлива — водорода. Рассмотрим более подробно различные типы топливных элементов и принципы их действия.

Топливные элементы с щелочным электролитом или щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Ионным проводником ЩТЭ служит раствор КОН, имеющий высокую электропроводимость. Такие ТЭ имеют высокую эффективность, и в них используется недорогостоящий катализатор. Однако при изготовлении ЩТЭ большое внимание уделяется герметизации участков, через которые может проникнуть электролит.

При работе ЩТЭ происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2Н2 + 4ОН— → 2Н2О + 4е—;
  • на катоде: О2 + 2Н2О + 4е— → 4ОН— .

Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.

Стоит также отметить, что для работы ЩТЭ используются чистые кислород и водород во избежание карбонизации электролита.

Топливные элементы с протонообменной мембраной

Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (40…60 °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.

Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Второе название, используемое в литературе, твердотельный топливный элемент. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо — водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель). С этим связана еще одна классификация ТПТЭ: водород-кислородные ТЭ и водород-воздушные ТЭ.

При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2h3 → 4H+ + 4e— ;
  • на катоде: O2 + 4H+ + 4e— → 2h3O.

Суммарная реакция: 2h3 + O2 → 2h3O.

Этот тип топливных элементов применяется в качестве источника питания для широкого спектра различных устройств от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Такие элементы перспективны также в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей.

Топливные элементы с прямым преобразованием метанола — это тип ТПТЭ. Основное различие состоит в том, что в качестве топлива используется метанол.

При работе топливных элементов с прямым преобразованием метанола происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2Ch4OH + 2h3O → 2CO2 + 12H+ + 12e— ;
  • на катоде: 3О2 + 12H+ + 12e— → 6h3O.

Суммарная реакция: 2Ch4OH + 3О2 → 2CO2 + 4h3O.

Метанол является жидким топливом. Это большое преимущество в случае перехода от существующей топливной инфраструктуры. Однако стоит отметить, что метанол — ядовитое вещество, кроме того, эффективность преобразования химической энергии в электрическую в таком элементе мала. Выработка углекислого газа в ходе работы такого топливного элемента также является недостатком в связи с развивающейся тенденцией перехода на экологически чистые источники энергии.

Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)

В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор. При работе топливных элементов на основе ортофосфорной кислоты происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2Н2 → 4Н+ + 4е— ;
  • на катоде: О2 + 4Н+ + 4е— → 2Н2О.

Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.

Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 55 %, диапазон рабочих температур — 160…220 °С. 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 %.

Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)

Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах — 600…700 °С. 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. На аноде такого элемента происходит восстановление карбонатиона с образованием паров воды и углекислого газа. Соответственно, СО2 направляется в катодный отсек, а электроны по внешней цепи — на катод. Здесь кислород принимает электроны и реагирует с углекислым газом, образуя карбонат-ионы СО3. При работе топливных элементов на основе расплавленного карбоната происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2Н2 + 2 СО2 → 2Н2О + 2СО2 + 4е ;
  • на катоде: О2 + 2СО2 + 4е— → 2 СО32-.

Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.

Преимущества такого ТЭ: КПД около 65 %, отсутствие платины (катализатором с анодной стороны может служить никель, а с катодной — оксид никеля), топливом может быть и водород, и природный газ, и даже дизельное топливо. Основные проблемы: малый срок службы, оборачивающийся высокими эксплуатационными расходами, и высокая стоимость. 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.

Твердотельные оксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах — 800…1000 °С. 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.

ТОТЭ 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 применяться 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 работе ТОТЭ происходят следующие реакции:

  • на аноде: 2Н2 + 2О— → 2Н2О + 4е— ;
  • на катоде: О2 + 4е— → 2О— .

Суммарная реакция: 2h3 + O2 → 2h3O.

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.

ТОТЭ продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 ч и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.

Принцип работы твердополимерного топливного элемента

В отличие от остальных топливных элементов твердополимерные топливные элементы используют квазитвердый электролит на основе полимерной структуры с боковыми цепями, содержащими кислотные группы. Многие преимущества этого типа топливных элементов делают их наиболее привлекательными для наземных малогабаритных применений, таких как транспорт, домашние энергетические установки, портативные устройства. Отличительными характеристиками твердополимерных топливных элементов являются относительно низкие температуры работы (до 90 °С), высокие плотности мощности, компактность систем на их основе, а также легкость в обращении с топливом.

Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонобменной мембраной — твердым полимером.

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. Устройство ТПТЭ показано на рис. 1.4. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции h3 → 2H+ + 2e— .

Рис. 1.4. Схема твердополимерного топливного элемента

Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции 4H+ + 4e— + O2 → 2h3O.

Протоны в свою очередь также движутся на катодную сторону через электролит.

Сейчас в качестве «электролита» ТПТЭ используется пленка — полимерная электролитная мембрана (ПЭМ). Она состоит из огромных молекул поливалентной кислоты, в которых сбоку к углеродной скелетной цепи прикреплены группы кислотного [- SO3], а протоны свободно движутся по полимеру (отсюда второе название «протонпроводящая мембрана»). Наиболее распространенная ПЭМ — пленка политетрафторэтиленперфтор- сульфоновой поликислоты, известная под торговой маркой «Нафион». Такая мембрана 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 сделаны из пористого материала, представляющего собой чаще всего смесь частичек углерода, платины и проводящего иономера, входящих в состав каталитического слоя. 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. 1.5). Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону е—, превращаются в положительно заряженные ионы водорода Н+, т. е. протоны.

Рис. 1.5. Поступление топлива на ТПТЭ

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).

Кислород, подаваемый на катод, в присут — ствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 1.6). В результате химической реакции образуется вода.

Рис. 1.6. Образования воды на катоде ТПТЭ

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.

Рис. 1.7. Батарея топливных элементов фирмы «Неliocentris», Германия

Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 1.7).

Применение топливных элементов

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 (табл. 1.2). 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.

Таблица 1.2 Примеры применения топливных элементов

Стационарные установки обычно разделяют на высокомощные (более 10 кВт) и маломощные (менее 10 кВт). Высокомощные энергетические установки на базе топливных элементов уже давно стали реальностью. В основном для таких установок используют топливные элементе на основе расплавленных карбонатов, фосфорной кислоты и твердотельные оксидные топливные элементы. Также существуют такие установки на базе ТПТЭ. В большинстве случаев такие установки используются не только для выработки энергии, но и для обеспечения потребителя отоплением. Это позволяется значительно увеличить эффективность системы в целом. На сегодняшний день основными производителями в этой области стали компании «UTC», «Fuel Сеll Energy», «Siemens Westinghouse» и «Ballard».

Большие усилия прилагаются в области разработок гибридных установок, в которых высокотемпературные топливные элементы комбинируются с газовыми турбинами. КПД таких установок может достигать 74,6 % при усовершенствовании газовых турбин .

Маломощные стационарные установки так же получили свое развитие в последние годы. Такие установки обычно изготавливаются на базе ТПТЭ. Основным игроком рынка таких энергоустановок является японская компания «Ebara» — дочерняя компания канадской фирмы «Ballard». Этой компанией была разработана установка мощностью 1 кВт. Похожую установку выпустила на рынок и другая японская компания «Fuji Electric». Их установка выполнены на базе фосфорно-кислотных топливных элементов. Более мощную установку на 4,6 кВт представила на рынок компания «Valliant Group». Эта установка вырабатывает не только электрическую энергию, но также и тепловую (11 кВт).

Толчком для развития маломощной топливной энергетики становятся необходимость обеспечения электроэнергией и отоплением удаленных населенных пунктов, возможность использовать установки в качестве дополнительного источника питания и в случае технических неполадок в электрообеспечении. Такие системы могут спасти жизни людей в случае использования в больницах, предотвратить несчастные случаи при использовании в системах безопасности и наблюдения и исключить потерю важных данных при эксплуатации, например, в финансовых учреждениях.

Использование топливных элементов в транспорте также является перспективным направлением. Большинство лидеров автопромышленности уже представили свои прототипы. Однако такие компании, как «Ford», «Renault» объявили о прекращении работ в этом направлении, также в «General Motors» сократили объем финансирования в этой области. Это связано с тем, что для таких технологий необходима реконструкция инфраструктуры обеспечения топливом, а также с проблемами, возникающими при хранении водорода на борту машины, и высокой стоимостью водорода. В основном работы больших компаний сейчас направлены на усовершенствование электромобилей, в том числе с интегрированными топливными элементами.

Развивающаяся в настоящее время в мире коммерциализация водородной техники, водородных технологий и водородных энергетических систем, основанная на успехах конкретных технических решений, обеспечит в ближайшее время реальное вхождение водородной экономики в жизнь индустриально развитых стран. Между компаниями — индустриальными гигантами Германии, США, Японии уже сейчас наметилась скрытая (а иногда и открытая) борьба за рынки сбыта водородной техники.

Другим направлением развития такой техники является общественный транспорт, который несомненно приобретает преимущества от развития водородной энергетики. К примеру в 2001-2006 гг. в 11 городах Европы было запущено 27 автобусов, работающих на топливных батареях (программа Чистый городской транспорт для Европы). Не стоит также забывать о космическом транспорте. Выгодность использования топливных элементов на борту космического корабля очевидна: энергоемкость намного выше, чем у батарей, и к тому же, при работе вырабатывается вода, которая может быть использована при необходимости. Также перспективно и использование топливных элементов на морском транспорте, в том числе подводном. Развитие транспорта на базе топливных элементов зависит от многих факторов, в том числе экономических, включающих ситуацию на рынке нефти.

Другой важной областью применения ТЭ является портативная электроника. Это огромный рынок, включающий в себя мобильные телефоны, переносные компьютеры, фото- и видеокамеры, устройства навигации и многое др. На сегодняшний день источниками питания для портативных устройств служат обычные батарейки и аккумуляторы. Основным недостатком батарей является то, что они разряжаются, а для перезарядки аккумулятора надо много времени. Основной задачей является уменьшение размеров и веса источника питания и при этом увеличения срока его службы. В случае с батареей при увеличении срока службы размер увеличивается пропорционально, а вот для длительной работы топливного элемента необходимо увеличить не сам топливный элемент, а лишь источник топлива. Отметим, что, например, для работы 10-ваттной метанольной топлив ной батареи требуется теоретически 4,2 см2 метанола в час.

В развитии вышеописанных областей топливной энергетики в первую очередь заинтересованы государственные организации в связи с нарастающей пропагандой экологически чистого образа жизни. В случае с портативными источниками питания большой интерес проявляется со стороны коммерческих организаций, который развивается согласно тенденциям рынка. В связи с малым финансированием до потребителя технологии портативной топливной энергетики дойдут не скоро. Однако их развитие подталкивается со стороны военного сектора и все же на рынке появляются прототипы метанольных топливных батарей для ноутбуков и телефонов (рис. 1.8 и 1.9).

Рис. 1.8. Компания «Nippon Telegraph and Telephone Corp» (NTT), представившая полимерный электролитический топливный элемент (Polymer Electrolyte Fuel Cell — PEFC), заправляемый газообразным водородом

Основными разработчиками портативных источников питания на базе микротопливных твердополимерных элементов являются компании «Medis Technologies» (Израиль — США), «Angstrom Power» (Канада), «Hitachi Maxell» (Япония), «DoCoMo — Aquafairy» (Япония), «Neah Power Systems» (США), «СЕА» (Франция), «Fraunhofer Institut» (Германия). Среди российских компаний, занимающихся разработкой аналогичных источников питания, следует упомянуть ассоциацию «Аспект».

Рис. 1.9. Топливная батарея от «Samsung» для ноутбука может проработать на одной зарядке в течение месяца в случае использования в течение 8 ч 5 дней в неделю

Разрабатываемые перечисленными компаниями источники питания значительно различаются по техническим и эксплуатационным характеристикам, а также по типу используемого топлива (водород, спирты). Из них только «Medis Technologies» приступила в 2006 г. к массовому производству портативных источников питания. Компания «MTI MicroFuel Cells Inc.» («MTI Micro») в 2009 г. выпустила в свет свой портативный источник питания «Mobion». По заявлению представителей «MTI», новые топливные элементы способны обеспечить работу смартфонов и КПК в течение 4…20 ч активного использования. В 2009 г. компания «Toshiba» выпустила на рынок портативную топливную батарею «Dynario fuel cell». Также в 2009 г. немецкая фирма «SFC» вышла на рынок с портативным источником питания «Jenny», ориентированным, однако, в большей степени на военное применение. Все вышеперечисленные источники питания работают на метаноле.

В метанольных топливных элементах вырабатывается углекислый газ, в то время как водород-воздушные топливные элементы в ходе работы вырабатывают воду. В связи с нарастающими тенденциями экологически безопасной энергетики, водород-воздушные топливные элементы, несомненно, имеют преимущество перед метанольными. Также стоит отметить, что энергоемкость водород-воздушных топливных элементов выше, чем у метанольных.

Широко обсуждаемые вопросы опасности хранения водорода как взрывоопасного вещества затрудняют внедрение технологий водород- воздушных топливных элементов на рынок. Однако в случае портативных источников энергии эта опасность исчезает в связи с малым количеством используемого водорода.

Перспективное направление применения топливных элементов — использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. В настоящее время в качестве одного из источников энергии чаще всего используются солнечные батареи. Разработаны проекты 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 позволяет поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.

За последние годы достигнуты существенные успехи в области топливной энергетики. Коммерциализация в этой области пока тормозится высокими капитальными затратами. Решением этой проблемы заняты высококвалифицированные научные сотрудники и инженеры во всем мире. Доля энергии, полученной с применением технологий топливной энергетики, неустанно растет.

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.

Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:

  • НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
  • ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
  • ТИШИНА – низкий уровень шумов
  • УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
  • АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
  • ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
  • НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
  • ЭКОНОМИЧНОСТЬ - привлекательная совокупная стоимость владения
  • ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.

Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.

Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.

На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.

Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.

Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.

При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.

Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.

Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.

Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.

Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:

  • Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
  • Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
  • Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
  • Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
  • Узлы передачи по протоколу WiMAX

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:

  1. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
  2. Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
  3. Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
  4. Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.

Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.

Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.

Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

Эти энергосберегающие установки производят тепло для отопления помещений и подогрева воды, а также электроэнергию, которая может быть использована в доме и отведена назад в электросеть. Распределенные источники выработки электроэнергии могут включать фотогальванические (солнечные) элементы и ветровые микротурбины. Эти технологии на виду и широко известны, однако их работа зависит от погодных условий и они не могут стабильно вырабатывать электроэнергию круглый год. По мощности теплоэнергетические установки могут варьироваться от менее чем 1 кВт до 6 МВт и больше.

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.

На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.

Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.

Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.

  1. Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
  2. Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
  3. Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
  4. Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
  5. Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
  6. Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
  7. Выход воды: отсутствует.
  8. Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу

Топливный элемент своими руками дома

Водородный топливный элемент компании Nissan

Содержание:

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.

Что такое топливные элементы?

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.

Схема работы Топливного элемента на водороде

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».

Стационарная энергоустановка на базе химического топливного элемента

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

Работающая модель игрушки-электромобиля на водородном топливном элементе

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

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.

Описание

Преимущества

Применение

Описание:

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов.

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0С / +40 0С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

– надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

– высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

– длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

– системы энергоснабжения для БПЛА,

– портативные зарядные устройства,

– источники бесперебойного питания,

– другие устройства.

карта сайта

водородный топливный элемент водородный топливный элемент купить водородно воздушные топливные элементы водородные топливные элементы автомобилей кислородно водородный топливный элемент водородный топливный элемент своими руками работа водородного топливного элемента водородная энергетика топливные элементы принцип работы водородного топливного элемента водородные топливные элементы принцип работы и устройство топливные водородные элементы ячейки водородный топливный элемент цена моделирование водородного топливного элемента водородно воздушные топливные элементы купить водородные топливные элементы развитие

comments powered by HyperComments

Японцы разработали новый тип топливных водородных элементов

Научно-исследовательская группа, в которой участвуют специалисты из трех организаций (Rohm, Aquafairy Corp., Киотский Университет), разработала легкий и практичный топливный водородный элемент. Эти элементы могут служить для зарядки смартфонов и прочих портативных устройств. По сравнению с прочими топливными элементами и аккумуляторами новое изобретение обладает рядом преимуществ.

По заявлению разработчиков, эта топливная ячейка более эффективна, чем стандартные элементы питания, менее габаритна, и более надежна. И да, она еще и не очень дорогая. В этом топливном элементе используются пластины из гидрида кальция. При заполнении элемента водой этот материал вступает в реакцию с водой, в результате чего образуется электричество. Одна пластина размером 38*38*2мм способна произвести около 4,5 литров водорода.

Достоинством подобного элемента является еще и то, что перепад рабочих температур может быть достаточно высоким. Разработка может быть полезной там, где обычные элементы питания, аккумуляторы, не могут использоваться (по той простой причине, что их нечем перезарядить). И да, эти элементы питания можно отнести к полностью безвредным, никаких вредных для окружающей среды материалов не используется, да и во время реакции с водой ничего вредного не образуется. Очень интересно еще и то, что такой элемент, будучи запакованным в пластик, может быть использован и спустя 20 лет с момента производства. Эти топливные элементы будут пущены в производство уже в следующем году, что является большим плюсом. Обычно подобные разработки являются либо чистым концептом, либо их планируют производить едва ли не через 50 лет. А элементы питания на основе гидрида кальция, будем надеяться, мы увидим уже в следующем году.

Via electropages

Теги:
  • гидрид кальция
  • топливные элементы
  • топливные ячейки

Как устроен топливный элемент

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 04.04.2016 04:20 Автор: Abramova Olesya

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды. Топливный элемент похож на электрическую батарею тем, что электрохимическая реакция происходит до тех пор, пока имеется топливо. Водород хранится в герметичном контейнере под давлением, кислород же берется из атмосферы. Из-за отсутствия горения нет никаких вредных выбросов, продуктом данного процесса является лишь чистая вода. Эта вода, выделяемая протонообменной мембраной топливного элемента, настолько чистая, что на демонстрациях топливных элементов посетителей часто могут угостить чаем из этой воды.

Фундаментально в топливном элементе происходит процесс электролиза в обратном направлении - с помощью двух электродов, разделенных электролитом. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород. Катализатор на аноде диссоциирует водород в положительно заряженные ионы водорода и электроны. Ионизированный кислород мигрирует через электролит в направлении анода, где соединяется с водородом. Один топливный элемент может обеспечить напряжение 0,6-0,8 В под нагрузкой. Для обеспечения более высокого напряжения необходимо последовательное соединение нескольких элементов. На рисунке 1 иллюстрируется концепция топливного элемента.

Рисунок 1: Принцип работы топливного элемента. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород.

Принцип получения энергии, заложенный в топливном элементе, является в два раза эффективнее сжигания углеродного топлива. Водород, самый простой химический элемент (состоящий из одного протона и одного электрона), является удобным и исключительно чистым топливом. Водород составляет 90% Вселенной и является третьим наиболее распространенным элементом на Земле. Такое богатство водорода обеспечивает практически неограниченные возможности генерирования энергии, но есть одна загвоздка.

Большинство водорода в природе находится в составе соединений, и его извлечение требует энергии. С точки зрения теплотворной способности, производство водорода является более дорогостоящим, чем производство бензина. Утверждается, что водород энергетически нейтрален, то есть полученная с его помощью энергия будет равна затраченной на его производство. (Смотрите: Конечная теплотворность).

Хранение водорода представляет собой еще один недостаток. Сжатый водород требует тяжелых стальных резервуаров, и если снова применить точку зрения теплотворности, но уже к объему, то показатель теплотворности газообразного водорода будет в 24 раза меньше показателя жидкого углеродного топлива. Если же хранить водород в жидкой форме, которая намного плотнее, то стоимость резервуара для такого “холодного” хранения будет еще выше.

Водород может быть получен с помощью риформинга путем экстракции из существующего топлива, такого как метанол, пропан, бутан или природный газ. Такое преобразование ископаемого топлива в чистый водород подразумевает некоторый остаток углерода - но количество этого остатка на 90% меньше, чем в продуктах горения из выхлопной трубы автомобиля. Добавление дополнительной установки для риформинга увеличивает вес и стоимость топливного элемента. К тому же, выгода от конверсии водорода находится под вопросом, поскольку она не решает проблему энергообразования в полной мере.

Даже при наличии высвобожденного водорода, ядро топливного элемента (стэк), преобразующее водород и кислород в электричество, является очень дорогим и имеет ограниченный срок службы. Вследствие этого, на сегодняшний день именно сжигание ископаемого топлива в двигателе внутреннего сгорания является самым простым и наиболее эффективным средством получения энергии, хотя и приводит к загрязнению окружающей среды.

Сэр Уильям Гроув, английский физик и химик, разработал концепцию топливного элемента в 1839 году, но она не получила развития - то было время активных исследований в области двигателей внутреннего сгорания, которые показывали обнадеживающие результаты. Так было вплоть до 1960 года, когда НАСА решило использовать именно топливные элементы во время космической программы Джемини. Щелочные топливные элементы выиграли конкуренцию у систем генерации ядерной и солнечной энергии, и обеспечивали как и выработку электроэнергии, так и производство питьевой воды для астронавтов.

Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.

1. Топливный элемент с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливный элемент с протонообменной мембраной, также известный как МОПТЭ, использует полимерный электролит. МОПТЭ является одной из наиболее развитых и часто используемых систем топливных элементов; области его применения распространяются на транспорт, портативные источники питания и обеспечение резервного питания. Система МОПТЭ имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокое соотношения энергии к весу. Еще одним преимуществом является возможность относительно быстрого запуска. Топливный элемент работает при умеренной температуре в 80°С и его КПД составляет 50% (показатель КПД двигателя внутреннего сгорания - 25-30%).

К недостаткам систем с протонообменной мембраной можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему управления подачи воды. Ядро топливного элемента не может быть запущено просто пуском водорода и кислорода, также необходимо и определенное стартовое количество воды в нем. Топливо для элемента, водород, должен быть чрезвычайно очищенным, так как в другом случае он может вызвать засорение или даже разложение мембраны. Настройка и обслуживание систем таких топливных элементов крайне сложны; к примеру, 150-вольтовая система насчитывает 250 отдельных элементов, которые необходимо правильно настроить.

Топливный элемент чувствителен к низким температурам, ведь это может привести к образованию льда. Это вынуждает добавлять в конструкцию нагревательные элементы, которые увеличивают конечную стоимость. Запуск в холодную погоду занимает больше времени, а производительность заметно ниже. Избыточное теплообразование также может привести к повреждению ячейки. Системы контроля температуры и подачи кислорода потребляют около 30% генерируемой электроэнергии.

При установке в транспортное средство, топливный элемент с протонообменной мембраной имеет расчетный срок службы 2000-4000 часов. Вследствие неравномерной нагрузки происходит излишнее увлажнение или, наоборот, высыхание ячейки, что способствует износу мембраны. При установке в устройство с непрерывным циклом работы, топливный элемент способен нормально функционировать на протяжении 40000 часов. Снижение функциональности происходит плавно, что делает его похожим на электрохимическую батарею. Замена ядра (стэка) топливного элемента является основной расходной частью обслуживания.

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы получили наибольшее применение в космической отрасли (в том числе, для космических кораблей многоразового использования). Стоимость производства и обслуживания, особенно для ядра топливного элемента, являются сравнительно доступными. Например, сепаратор для топливного элемента с протонообменной мембраной стоит от $ 800 до $ 1100 за квадратный метр, а для щелочного его стоимость даже не берется в расчет (она сравнима с ценой квадратного метра сепаратора свинцово-кислотного аккумулятора и составляет $ 5). Также экономия достигается путем отсутствия необходимости в системе контроля за водными ресурсами. Коэффициент полезного действия такого топливного элемента находится в районе 60%. Но у него есть и недостатки, например, его физические размеры конструктивно больше, чем у версии с протонообменной мембраной, также ему необходим крайне чистый водород и кислород. Использование кислорода из окружающей среды, в составе которой есть двуокись углерода, может вывести такой элемент из строя. Данные недостатки ограничивают применение щелочных топливных элементов специализированными приложениями.

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

В крупных стационарных установках используются три вида топливных элементов - на расплаве карбоната (РКТЭ), на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ). ТОТЭ является наименее распространенным, но в последнее время из-за прорыва в исследованиях материалов и конструкции ядра элемента, на эту технологию обращено повышенное внимание. Благодаря новому поколению керамического материала удалось снизить рабочую температуру с 800-1000°С до 500-600°С. Это позволяет использовать нержавеющую сталь вместо дорогой керамики для вспомогательных деталей.

Высокая температура позволяет осуществлять прямое извлечение водорода из природного газа посредством процесса каталитического риформинга. Именно способность потреблять углеродное топливо без необходимости предварительного риформинга обеспечивает высокую эффективность и создает значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Благодаря теплообразованию, побочному продукту процессов в ТОТЭ, которое также возможно использовать для генерации электричества с помощью турбин, КПД твердооксидных топливных элементов может достигать 70%, что является самым высоким показателем среди всех видов топливных элементов. Среди недостатков - необходимость использования температуростойких и дорогостоящих материалов для ядра топливного элемента, которые имеют ограниченный срок службы.

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Портативные топливные элементы являются крайне интересным и привлекающем внимание направлением, и наиболее перспективная технология для их создания – это прямое окисление метанола. Топливные элементы с прямым окислением метанола имеют небольшой размер, недороги в изготовлении, удобны в использовании и не требуют сжатого газообразного водорода. ПОМТЭ имеют хорошие электрохимические характеристики, их заправка производится путем впрыскивания жидкости или замены картриджа, что позволяет продолжать работу без простоев.

Реалии рынка и технологий на сегодняшней день таковы, что полноценным конкурентом классическим электрохимическим батареям топливные элементы пока быть не могут. Крайне интересным выглядит их использование в качестве зарядного устройства для обеспечения беспрерывной работы встроенного аккумулятора. Среди недостатков ПОМТЭ - ядовитость и огнеопасность метанола, из-за которых его использование и транспортировка жестко регламентируется. Например, перевозить разрешено только до двух дополнительных запасных картриджей емкостью не более 200 мл (на другие вещества для топливных элементов, к примеру, водород, данное ограничение не распространяется).

На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.

Рисунок 2: Микротопливный элемент. Этот прототип микротопливного элемента способен обеспечивать 300 мВт непрерывной мощности.

Рисунок 3: Топливный элемент Toshiba с заправочным картриджем. Картридж емкостью 10 мл содержит метанол чистотой 99,5%.

Исследования в сфере портативных топливных элементов не стоят на месте, например, корпорацией Toshiba был представлен прототип для использования в ноутбуках и других устройствах, способный генерировать от 20 до 100 ватт мощности. Прототип имеет компактные размеры, а по удельной энергоемкости сопоставим с никель-кадмиевой батареей. В то же время кампания Panasonic анонсирует модель аналогичных размеров, но с выходной мощностью, в два раза превышающей показатель прототипа Toshiba. Срок службы данной модели будет составлять порядка 5000 часов, при 8-часовом ежедневном использовании (с перерывами). Низкая долговечность является проблемой всех топливных элементов.

Делаются попытки создания портативных топливных элементов и на водороде, что дает преимущество в виде повышения эффективности и уменьшения размеров. Этим миниатюрным системам не нужны насосы и вентиляторы, вследствие этого они абсолютно бесшумны. При использовании с картриджем типового объема и с заправкой каждые 20 часов, такой элемент способен обеспечить энергию, эквивалентную 10 щелочным батарейкам типоразмера АА. Микротопливные элементы найдут свое применение в портативной компьютерной технике, беспроводной связи, фонариках и даже электровелосипедах.

Также такие элементы интересны для использования в военной и рекреационной сферах. На рисунке 4 показан портативный топливный элемент кампании SFC (Smart Fuel Cell), поставляемый с различными мощностными характеристиками - от 600 до 2160 Вт*ч в день.

Рисунок 4: Портативный топливный элемент потребительского сегмента. Топливный элемент преобразует водород и кислород в электричество с единственным побочным продуктом - чистой водой. Топливные элементы могут использоваться в помещении в качестве генератора электроэнергии.

В таблице 5 описаны сферы применения, преимущества и ограничения обычных топливных элементов. Таблица включает в себя не рассмотренные выше технологии на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и на основе расплава карбоната (РКТЭ).

Тип топливного элемента Сфера применения Рабочая температура и КПД Преимущества Недостатки
Мембрана обмена протонов Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт 50-100°С;80°С номинал;

35-60% КПД

Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов
Щелочной Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт 90-100°С;60% КПД Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода
Расплав карбоната Большие установки электрогенерации 600-700°С;60% КПД Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
На основе фосфорной кислоты Средние и большие установки электрогенерации 150-200°С;40% КПД Непритязательность к качеству топлива, когенерация Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор
Твердооксидный Средние и большие установки электрогенерации 700-1000°С;60% КПД Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
С прямым окислением метанола Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации 40-60°С;20% КПД Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность

Таблица 5: Преимущества и недостатки различных систем топливных элементов. Разработки и улучшения в сфере топливных элементов происходят постепенно, малый показатель удельной мощности не позволяет быть прямым конкурентом электрическим батареям.

Топливным элементам присущи такие ограничения как медленный запуск, низкая выходная мощность, медленная реакция на потребность в электроэнергии, плохие нагрузочные характеристики, маленький диапазон мощности, короткий срок службы и высокая стоимость. Подобно электрическим батареям, производительность всех топливных элементов снижается с возрастом, это происходит из-за постепенной деградации компонентов ядра (стека) топливного элемента. Такая проблема потери эффективности гораздо менее выражена, например, у двигателей внутреннего сгорания.

Топливным элементам мощностью менее 1 кВт, как правило, не нужно давление при работе, и подача кислорода происходит только с помощью вентилятора; системы же свыше 1 кВт герметичны и оборудованы компрессором, который снижает общую эффективность и является довольно шумным. Относительно высокое внутреннее сопротивление представляет собой еще одну проблему. Каждая ячейка стека производит около 1 В в открытой цепи, подключение большой нагрузки приводит к заметному падению напряжения. Подобно электрической батарее, мощность топливного элемента уменьшается с возрастом. Отдельные ячейки могут выходить из строя и вызывать сбои в работе, приводящие к неправильному функционированию всей системы или загрязнению окружающей среды. На рисунке 6 показаны значения напряжения и мощности в зависимости от нагрузки.

Рисунок 6: Диапазон мощности портативного топливного элемента. Высокое внутреннее сопротивление приводит к быстрому падению напряжения при подключении нагрузки. Диапазон мощности ограничен значениями от 300 до 800 мА.

Топливные элементы лучше всего работают при нагрузке 30%, более высокие значения снижают эффективность. Это вкупе с плохой чувствительностью дросселя ограничивают эффективное использование топливных элементов сферой вспомогательного электропитания и зарядных устройств. Роль автономного источника питания, изначально предназначаемая топливным элементам, пока что остается непокоренной ими.

5. Парадокс топливной ячейки

Пик популярности топливных элементов пришелся на 1990-е годы, когда ученые и инженеры были увлечены идеей о экологически чистом и неиссякаемом топливе - водороде. Предсказывалось, что каждый автомобиль и домохозяйство вскоре будут работать на топливных элементах. Акции профильных компаний взлетели до небес, но вскоре индустрия уперлась в грань - была достигнута предельная производительность, а высокие производственные затраты и ограниченный срок службы весьма ограничивали применение топливных элементов.

Ожидалось, что топливные элементы окажут на мир такое же влияние, как оказали микропроцессорные технологии в 1970-е годы. Этот экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии должен был решить проблему ископаемого топлива с его ограниченными запасами и экологическими проблемами. С 1999 по 2001 год более 2000 компаний активно взялись за разработку топливных элементов, четырем крупнейшим из них удалось привлечь инвестиции в размере 4 миллиардов долларов. Но что пошло не так?

Водород сам по себе не является источником энергии, он лишь форма транспортировки и хранения энергии аналогичной электричеству, которым заряжается батарея. Чтобы представить себе “сжигание бесконечного количества водорода”, необходимо сначала произвести водород, что нельзя сделать по аналогии с нефтью, добыв ее из-под земли. Водород возможно получить из ископаемого топлива, но конечная полученная энергия в этом случае будет меньше, чем в случае прямого сжигания углеродов. Единственным достоинством такого способа будет уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Подобно тому, как не удалось создать паровой самолет в середине 1800-х, можно предположить, что топливные элементы никогда не станут той формой источника энергии, в которой их видели разработчики. Но существует определенное развитие этой технологии в автомобильной промышленности, есть спрос на них и в качестве вспомогательных источников питания, которые могут быть установлены в труднодоступные районы с минимальной возможностью обслуживания. Топливные элементы позволяют непрерывную и экологически чистую эксплуатацию, где бы они не были установлены. Вполне вероятно, что продолжающееся развитие технологий позволит однажды расширить сферы применения топливных элементов, и мечтам о массовом экологически чистом транспорте на водородном топливе суждено исполнится.

Последнее обновление 2016-02-27

Топливные элементы. Электрохимические генераторы. Применение

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 h4PO4) 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.
Похожие темы:


Смотрите также

Возврат к списку