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:
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 0 С / +40 0 С),
– 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.
Применение:
– системы энергоснабжения для БПЛА,
– портативные зарядные устройства,
– источники бесперебойного питания,
– другие устройства.
В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.
На сегодняшний день существует
множество разных типов батареек, среди
которых все сложнее ориентироваться.
Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор
отличается от суперконденсатора и почему
водородный топливный элемент можно
использовать, не опасаясь нанести
вред окружающей среде. В этой статье
мы расскажем о том, как для получения
электроэнергии используются химические
реакции, в чем разница между основными
типами современных химических источников
тока и какие перспективы открываются
перед электрохимической энергетикой.
Химия как источник электричества
Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.
Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.
Схема гальванического элемента
Wikimedia commons
Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким - это может быть и полимерный, и керамический материал.
Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.
Пальчиковые щелочные батарейки
Возможность перезарядки
Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора - источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.
Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор
На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.
Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона
Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые образование взрывоопасных структур, и компоненты, возгорание на ранних стадиях.
Твердый электролит
В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы - в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .
Водородные топливные элементы
Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.
Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.
Наиболее подходящее вещество такого типа - газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.
Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство - совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.
Принципиальная схема работы водородного топливного элемента
Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду - окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.
Водородный топливный элемент Toyota
Joseph Brent / flickr
Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.
Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.
Эффективность топливных элементов
Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.
Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых , например, графеновые мембраны.
В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.
Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.
Альтернативные электрохимические накопители
Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) - устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.
Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов - высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!
Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых .
* * *
Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.
N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?
Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.
Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.
Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов - «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».
Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых - топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.
Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.
Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?
Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.
Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?
Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом
высокотемпературной электрохимии
(ИВТЭ) Уральского отделения Российской
академии наук работают над созданием
высокоэффективных электрохимических
устройств и автономных генераторов
электроэнергии для применений в
распределенной энергетике .
Создание энергоустановок для распределенной
энергетики изначально подразумевает
разработку гибридных систем на основе
генератора электроэнергии и накопителя,
в качестве которых выступают аккумуляторы.
При этом топливный элемент работает
постоянно, обеспечивая нагрузку в
пиковые часы, а в холостом режиме заряжает
аккумулятор, который может сам выступать
резервом как в случае высокого
энергопотребления, так и в случае
внештатных ситуаций.
Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.
В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.
Александр Дубов
Я вставляю штуцер заправочного шланга в горловину топливного бака и поворачиваю его на полоборота, чтобы загерметизировать соединение. Щелчок тумблера - и мигание светодиода на заправочной колонке с огромной надписью h3 показывает, что заправка началась. Минута - и бак полон, можно ехать!
Элегантные обводы корпуса, сверхнизкая подвеска, низкопрофильные слики выдают настоящую гоночную породу. Сквозь прозрачную крышку видно хитросплетение трубопроводов и кабелей. Где-то я уже видел подобное решение… Ах да, на Audi R8 сквозь заднее стекло тоже виден двигатель. Но на Audi он традиционный бензиновый, а эта машина работает на водороде. Как и BMW Hydrogen 7, но только, в отличие от последней, здесь внутри нет ДВС. Единственные движущиеся части - рулевой механизм и ротор электромотора. А энергию для него дает топливный элемент. Выпущен этот автомобиль сингапурской компанией Horizon Fuel Cell Technologies, специализирующейся на разработке и производстве топливных элементов. В 2009 году британская компания Riversimple уже представила городской водородомобиль, приводимый в движение топливными элементами Horizon Fuel Cell Technologies. Он разработан в сотрудничестве с Университетами Оксфорда и Крэнфилда. А вот Horizon H-racer 2.0 - сольная разработка.
Топливный элемент представляет собой два пористых электрода, покрытых слоем катализатора и разделенных протонообменной мембраной. Водород на катализаторе анода превращается в протоны и электроны, которые через анод и внешнюю электрическую цепь приходят на катод, где водород и кислород рекомбинируют с образованием воды.
«Поехали!» - по‑гагарински подталкивает меня локтем главный редактор. Но не так быстро: сначала нужно «прогреть» топливный элемент на неполной нагрузке. Переключаю тумблер в режим «warm up» («прогрев») и жду положенное время. Потом на всякий случай дозаправляю бак до полного. Вот теперь поехали: машинка, плавно жужжа двигателем, трогается вперед. Динамика впечатляет, хотя, впрочем, чего еще ждать от электромобиля - момент постоянный на любых оборотах. Хотя и ненадолго - полного бака водорода хватает всего на несколько минут (компания Horizon обещает в ближайшем будущем выпустить новый вариант, в котором водород не запасается в виде газа под давлением, а удерживается пористым материалом в адсорбере). Да и управляется, прямо скажем, не очень - на дистанционном управлении всего две кнопки. Но в любом случае жаль, что это только радиоуправляемая игрушка, которая обошлась нам в $150. Мы бы не отказались покататься на настоящей машине с топливными элементами в качестве энергетической установки.
Бак, эластичная резиновая емкость внутри жесткого кожуха, при заправке растягивается и работает в качестве топливного насоса, «выдавливая» водород в топливный элемент. Чтобы не «перезаправить» бак, один из штуцеров подключен пластиковой трубкой к аварийному клапану сброса давления.
Заправочная колонка
Сделай сам
Машина Horizon H-racer 2.0 поставляется в виде набора для крупноузловой сборки (типа «сделай сам»), купить её можно, например, на «Амазоне». Однако собрать ее несложно - достаточно поставить на место топливную ячейку и закрепить ее винтами, подсоединить шланги к баку для водорода, топливному элементу, заправочной горловине и аварийному клапану, и остается только поставить верхнюю часть корпуса на место, не забыв передний и задний бамперы. В комплекте идет заправочная станция, которая получает водород методом электролиза воды. Питается она от двух батареек АА, а если захочется, чтобы энергия была совсем «чистой», - от солнечных батарей (они тоже входят в комплект).
www.popmech.ru
Как сделать топливный элемент своими руками?
Безусловно, самое простое решение проблемы обеспечения постоянной работы безтопливных систем заключается в приобретении готового вторичного источника энергии на гидравлической или любой другой основе, однако в этом случае избежать дополнительных расходов уж точно не удастся, да и в этом процессе довольно сложно рассмотреть какую-либо идею для полета творческой мысли. Кроме того, выполнить топливный элемент своими руками вовсе не так сложно, как можно подумать на первый взгляд, и при желании с поставленной задачей сможет справиться даже самый малоопытный мастер. К тому же, более чем приятным бонусом станут малые расходы для создания данного элемента, ведь несмотря на всю его пользу и важность, можно будет абсолютно спокойно обойтись уже имеющимися в наличии подручными средствами.
При этом единственный нюанс, который необходимо учитывать перед выполнением поставленной задачи, заключается в том, что своими руками можно изготовить исключительно маломощное приспособление, а воплощение в реальность более усовершенствованных и сложных установок следует все-таки предоставить квалифицированным специалистам. Что касается порядка работы и очередности действий, то в первую очередь следует выполнить корпус, для чего лучше всего использовать толстостенное оргстекло (не менее 5 сантиметров). Для склеивания стенок корпуса и монтажа внутренних перегородок, для которых лучше всего использовать более тонкое оргстекло (хватит и 3 миллиметров) в идеале использовать двухкомпозитный клей, хотя при большом желании качественную спайку можно выполнить самостоятельно, используя следующие пропорции: на 100 грамм хлороформа - 6 граммов стружки из того же оргстекла.
При этом процесс необходимо проводить исключительно под вытяжкой. Для того, чтобы оборудовать корпус так называемой сливной системой, в его передней стенке необходимо осторожно просверлить сквозное отверстие, диаметр которого будет в точности совпадать с габаритами резиновой пробки, служащей, своего рода, прокладкой между корпусом и стеклянной трубочкой слива. Что касается размеров самой трубочки, то в идеале предусматривать ее ширину равной пяти-шести миллиметрам, хотя все зависит от типа проектируемой конструкции. С большей вероятностью можно утверждать, что определенное удивление у потенциальных читателей данной статьи вызовет старый противогаз, приведенный в перечне необходимых элементов для выполнения топливного элемента. Между тем, вся польза данного приспособления кроется в активированном угле, расположенном в отсеках его респиратора, который в дальнейшем можно использовать, как электроды.
Так как речь идет о порошкообразной консистенции, то для усовершенствования конструкции понадобятся чулки из капрона, из которых можно будет легко изготовить мешочек и сложить туда уголь, иначе он будет попросту высыпаться из отверстия. Что касается распределительной функции, то сосредоточение топлива происходит в первой камере, в то время, как кислород, необходимый для нормального функционирования топливного элемента, напротив, будет циркулировать в последнем, пятом отсеке. Сам электролит, расположенный между электродами следует пропитать специальным раствором (бензин с парафином в соотношении 125 на 2 миллилитра), причем делать это нужно еще до закладки воздушного электролита в четвертый отсек. Для обеспечения должной проводимости, поверх угля укладывают медные пластинки с заблаговременно припаянными проводами, через которые электроэнергия будет передаваться от электродов.
Данный этап конструирования можно смело считать завершающим, после проведения которого проводят зарядку готового устройства, для чего понадобится электролит. Для того, чтобы его приготовить, необходимо смешать в равных частях этиловый спирт с дистиллированной водой и приступать к постепенному введению едкого калия из расчета 70 грамм на стакан жидкости. Проведение первого испытания изготовленного устройства заключается в одновременном заполнении первого (топливная жидкость) и третьего (изготовленный из этилового спирта и едкого калия электролит) контейнеров корпуса из оргстекла.
uznay-kak.ru
Водородные топливные элементы | ЛАВЕНТ
Давно хотел рассказать про ещё одно направление компании Альфаинтек. Это разработка, продажа и обслуживание водородных топливных элементов. Сразу хочу объяснить ситуацию с данными топливными элементами в России.
Из-за достаточно высокой стоимости и полного отсутствия водородных станций для зарядки данных топливных элементов, продажа их в России не предполагается. Тем не менее в Европе, особенно в Финляндии, данные топливные элементы с каждым годом набирают популярность. В чём же секрет? Давайте посмотрим. Данное устройство экологически чистое, легкое в эксплуатации и эффективное. Оно приходит на помощь человеку там, где ему необходима электрическая энергия. Вы можете взять его с собой в дорогу, в поход, использовать на даче, в квартире как автономный источник электроэнергии.
Электричество в топливном элементе вырабатывается в результате химической реакции водорода, поступающего из баллона, с гидридом металла и кислородом из воздуха. Баллон не взрывоопасен и может храниться у Вас в шкафу годы, ожидая своего часа. Вот это, пожалуй, одно из главных достоинств данной технологии хранения водорода. Именно хранение водорода является одной из главных проблем в развитии водородного топлива. Уникальные новые легкие топливные элементы, которые преобразуют водород в обычное электричество, безопасно, тихо и без выброса вредных веществ.
Данный вид электричества можно использовать в тех местах, где нет центрального электричества, или как аварийный источник питания.
В отличие от обычных аккумуляторов, которые нужно заряжать и при этом отключать от потребителя электроэнергии в процессе зарядки, топливный элемент работает как «умное» устройство. Данная технология обеспечивает бесперебойное питание в течение всего срока использования благодаря уникальной функции сохранения питания при смене ёмкости с топливом, что позволяет пользователю никогда не выключать потребитель. В закрытом футляре топливные элементы могут храниться на протяжении нескольких лет без потери объема водорода и уменьшения своей мощности.
Топливный элемент предназначен для ученых и исследователей, служб охраны правопорядка, спасателей, владельцев судов и пристаней для яхт, и для всех тех, кому нужен надежный источник питания на случай экстренных ситуаций. Вы можете получить напряжение 12 вольт или 220 вольт и тогда у вас будет достаточно энергии, чтобы использовать телевизор, стереосистему, холодильник, кофеварку, чайник, пылесос, дрель, микроплиту и другие электробытовые приборы.
Топливные элементы Hydrocell могут продаваться как единичное устройство, так и батареями из 2–4 элементов. Два или четыре элемента могут быть объединены либо для увеличения мощности, либо для увеличения силы тока.
ВРЕМЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОБЫТОВЫХ ПРИБОРОВ С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
| Электробытовые приборы | Время работы за день (мин.) | Потреб. мощность за день(Вт*ч) | Время работы с топливными элементами |
|||
| Электрический чайник | ||||||
| Кофеварка | ||||||
| Микроплита | ||||||
| Телевизор | ||||||
| 1 лампочка 60W | ||||||
| 1 лампочка 75W | ||||||
| 3 лампочки 60W | ||||||
| Компьютер ноутбук | ||||||
| Холодильник | ||||||
| Энергосберегающая лампа | ||||||
* - непрерывная работа
Топливные элементы полностью заряжаются на специальных водородных станциях. Но что, если вы отправляетесь далеко от них и нет возможности подзарядиться? Специально для таких случаев специалисты компании Alfaintek разработали баллоны для хранения водорода, с которыми топливные элементы проработают значительно дольше.
Выпускаются два типа баллонов: НС-МН200 и НС-МН1200.НС-МН200 в сборе имеет размер чуть больше банки для кока-колы, он вмещает в себя 230 литров водорода, что соответствует 40Ач (12V), и весит всего 2,5 кг.Баллон с гидридом металла НС-МН1200 вмещает в себя 1200 литров водорода, что соответствует 220Ач (12V). Вес баллона 11 кг.
Техника применения гидридов металлов является безопасным и легким способом хранения, перевозки и использования водород. При хранении в виде гидрида металла водород находится в форме химического соединения, а не в газообразной форме. Данный метод дает возможность получить достаточно большую плотность энергии. Преимуществом применения гидрида металла является то, что давление внутри баллона составляет всего 2-4 бара.Баллон не взрывоопасен и может храниться годы без снижения объема вещества. Поскольку водород хранится в виде гидрида металла, чистота водорода, полученного из баллона, очень высока - 99,999%. Баллоны для хранения водорода в виде гидрида металла можно использовать не только с топливными элементами HC 100,200,400, но и в других случаях, когда нужен чистый водород. Баллоны можно легко подсоединить к топливному элементу или к другому устройству при помощи быстро соединяющегося разъема и гибкого шланга.
Очень жаль, что данные топливные элементы не продаются в России. А ведь среди нашего населения так много людей, которые нуждаются в таковых. Чтож поживём, увидим, глядишь и у нас появятся. А пока будем покупать навязанные государством энергосберегающие лампочки.
P.S. Похоже тема окончательно ушла в небытиё. Через столько лет после написания этой статьи не вышло ничего. Может я, конечно, не везде ищу, но то, что попадается на глаза совсем не радует. Технология и задумка хорошая, но вот развития пока не нашла.
lavent.ru
Топливный элемент – будущее, которое начинается сегодня!
Начало ХХІ века рассматривает экологию как одну из самых главных мировых задач. И первое, чему следует уделить внимание в сложившихся условиях, это поиск и применение альтернативных источников энергии. Именно они способны препятствовать загрязнению окружающей нас среды, а также полностью отказаться от непрерывно дорожающего топлива на основе углеводорода.
Уже сегодня нашли применение такие источники энергии, как солнечные элементы и ветряные установки. Но, к сожалению, их недостаток связан с зависимостью от погоды, а также от сезона и времени суток. По этой причине от их использования в космонавтике, авиа- и автомобилестроении постепенно отказываются, а для стационарного применения их комплектуют с вторичными источниками питания – аккумуляторами.
Однако лучшим решением является топливный элемент, так как он не требует постоянной энергетической подзарядки. Это устройство, которое способно к переработке и преобразованию различного вида топлива (бензина, спирта, водорода и др.) непосредственно в электрическую энергию.
Топливный элемент работает по следующему принципу: извне подается топливо, которое окисляется кислородом, а выделяемая при этом энергия превращается в электричество. Такой принцип действия обеспечивает практически вечную эксплуатацию.
Начиная с конца ХІХ века ученые изучали непосредственно топливный элемент, и постоянно разрабатывали новые его модификации. Так, на сегодня, в зависимости от условий эксплуатации, существуют алкалиновые или щелочные (AFC), прямые борогидратные (DBFC), электро-гальванические (EGFC), прямые метанольные (DMFC), цинково-воздушные (ZAFC), микробные (MFC), также известны модели на муравьиной кислоте (DFAFC) и на металлических гидридах (MHFC).
Одним из самых перспективных считается водородный топливный элемент. Использование водорода в силовых установках сопровождается значительным выделением энергии, а выхлопы такого устройства – это чистый водяной пар или питьевая вода, которые не несут никакой угрозы окружающей среде.
Успешное испытание топливных элементов данного типа на космических кораблях в последнее время вызвало немалый интерес у производителей электроники и различной техники. Так, компания PolyFuel представила миниатюрный топливный элемент на водородном топливе для ноутбуков. Но слишком высокая стоимость такого устройства и сложности в беспрепятственной его заправке ограничивает промышленный выпуск и широкое распространение. Также компания Honda уже свыше 10 лет выпускает автомобильные топливные элементы. Однако в продажу такой вид транспорта не поступает, а только в служебное пользование сотрудников компании. Автомобили находятся под наблюдением инженеров.
Многие задаются вопросом о том, а возможно ли собрать топливный элемент своими руками. Ведь существенным преимуществом самодельного устройства будет незначительное вложение средств, в отличие от промышленной модели. Для миниатюрной модели понадобится 30 см покрытой платиной никелевой проволоки, небольшой кусочек пластмассы или древесины, клипса для 9-вольтовой батареи и сама батарея, прозрачная липкая лента, стакан воды и вольтметр. Такое устройство позволит увидеть и понять суть работы, но генерировать для автомобиля электроэнергию, конечно же, не получится.
fb.ru
Водородные топливные элементы: немного истории | Водород
В наше время особенно остро стоит проблема дефицита традиционных энергетических ресурсов и ухудшение состояния экологии планеты в целом из-за их использования. Именно поэтому в последнее время значительные финансовые средства и интеллектуальные ресурсы тратятся на разработку потенциально перспективных заменителей углеводородного топлива. Таким заменителем в самое ближайшее время может стать водород, поскольку его использование в силовых установках сопровождается выделением большого количества энергии, а выхлопы представляют собой водяной пар, то есть не представляют опасности для окружающей среды.
Несмотря на некоторые существующие до сих пор технические сложности по внедрению топливных элементов на основе водорода, многие производители автомобилей оценили перспективность технологии и уже активно разрабатывают прототипы серийных автомобилей, способных использовать водород в качестве основного топлива. Еще в две тысячи одиннадцатом концерн Daimler AG представил концептуальные модели Mersedes-Benz с водородными силовыми установками. Кроме того, корейская компания Hyndayi официально заявила, что не намерена больше развивать электрические автомобили, а все усилия сконцентрирует на разработке доступного водородного автомобиля.
Несмотря на то, что сама идея использовать водород в качестве топлива для многих не является дикой, большинство не представляет, как устроены топливные элементы, использующие водород и что в них такого примечательного.
Чтобы понять важность технологии, редлагаем обратиться к истории водородных топливных элементов.
Первым человеком, который описал потенциал использования водорода в топливном элементе, был немец по национальности - Christian Friedrich. Еще в далеком 1838 году он опубликовал свою работу в известном научном журнале того времени.
Уже в следующем году судьей из Ульса, сэром William Robert Grove был создан прототип работоспособной водородной батареи. Однако мощность устройства была слишком маленькой даже по меркам того времени, поэтом о его практическом использовании не могло быть и речи.
Что касается термина «топливный элемент» - он своим существованием обязан ученым Ludwig Mond и Charles Langer, которые в 1889 году предприняли попытку создания топливного элемента, работающего на воздухе и коксовом газе. По другим данным впервые термин был использован William White Jaques, который впервые решил использовать фосфорную кислоту в электролите.
В 1920-х годах в Германии был произведен целый ряд исследований, результатом которых стало открытие твердооксидных топливных элементов и путей использования цикла карбоната. Примечательно, что эти технологии эффективно используются и в наше время.
В 1932 году инженером Francis T Bacon была начата работа по исследованию непосредственно топливных элементов на основе водорода. До него ученые использовали наработанную схему – пористые платиновые электроды помещались в серную кислоту. Очевидный минус подобной схемы заключается, прежде всего, в ее неоправданной дороговизне ввиду использования платины. Кроме того, использование едкой серной кислоты создавало угрозу для здоровья, а порой и жизни, исследователей. Бэйкон решил оптимизировать схему и заменил платину никелем, а в качестве электролита использовал щелочной состав.
Благодаря продуктивной работе по усовершенствованию своей технологии, Бэйкон уже в 1959 году представил широкой публике свой оригинальный водородный топливный элемент, который выдавал 5 кВт и мог питать сварочный аппарат. Представленное устройство он назвал «Bacon Cell».
В октябре того же года был создан уникальный трактор, который работал на водороде и выдавал мощность в двадцать лошадиных сил.
В шестидесятых годах двадцатого столетия американской компанией General Electric разработанная Бэконом схема была усовершенствована и применена для космических программ Apollo и NASA Gemini. Специалисты из NASA пришли к выводу, что использование ядерного реактора слишком дорого, технически сложно и небезопасно. Кроме того, пришлось отказаться от использования аккумуляторов вместе с солнечными батареями из-за их больших габаритов. Решением проблемы стали водородные топливные элементы, которые способны снабжать космический аппарат энергией, а его экипаж чистой водой.
Первый автобус, использующий в качестве топлива водород, был построен еще в 1993 году. А прототипы легковых автомобилей работающих на водородных топливных элементах были представлену уже в 1997 году такими мировыми автомобильными брендами как Toyota и Daimler Benz.
Немного странно, что перспективное экологичное топливо, реализованное пятнадцать лет назад в автомобиле до сих пор не получило повсеместного распространения. Причин этому множество, главными из которых, пожалуй, являются политическая и требовательность к созданию соответствующей инфраструктуры. Будем надеяться, что водород еще скажет свое слово и составит ощутимую конкуренцию электрическим автомобилям.{odnaknopka}
energycraft.org
Создано 14.07.2012 20:44 Автор: Алексей Норкин
Наше материальное общество без энергии не может не только развиваться, но и вообще существовать. Откуда берется энергия? До недавнего времени люди использовали всего один способ ее получения, мы воевали с природой, сжигая добытые трофеи в топках сначала домашних очагов, затем паровозов и мощных тепловых электростанций.
На потребленных современным обывателем киловатт-часах отсутствуют этикетки, где указывалось бы, сколько лет трудилась природа, чтобы цивилизованный человек мог насладиться благами технологий, и сколько лет ей еще предстоит трудиться, чтобы сгладить вред, нанесенный ей такой цивилизацией. Однако в обществе зреет понимание, что рано или поздно иллюзорная идиллия закончится. Все чаще люди изобретают способы обеспечения энергией своих потребностей с минимальным ущербом для природы.
Водородные топливные элементы – Святой Грааль чистой энергии. Они перерабатывают водород, один из распространенных элементов периодической системы и выделяют лишь воду, самое распространенное на планете вещество. Радужную картину портит отсутствие у людей доступа к водороду, как веществу. Его много, но только в связанном состоянии, и добыть его куда сложнее, чем выкачать из недр нефть или выкопать уголь.
Один из вариантов чистого и безвредного для природы получения водорода – микробные топливные элементы (МТБ), использующие микроорганизмы для разложения воды на кислород и водород. Здесь тоже не все гладко. Микробы прекрасно справляются с задачей получения чистого топлива, но для достижения требуемой на практике эффективности МТБ нужен катализатор, ускоряющий одну из химических реакций процесса.
Этот катализатор – драгоценный металл платина, стоимость которого делает использование МТБ экономически неоправданным и практически невозможным.
Ученые из Университета Висконсин-Милуоки нашли замену дорогому катализатору. Вместо платины они предложили использовать дешевые наностержни из комбинации углерода, азота и железа. Новый катализатор представляет собой графитовые стержни с внедренным в поверхностный слой азотом и с сердечниками из карбида железа. В течение трехмесячного тестирования новинки, катализатор продемонстрировал возможности выше, чем у платины. Работа наностержней оказалась более стабильной и управляемой.
И что самое главное, детище университетских ученых значительно дешевле. Так стоимость платиновых катализаторов составляет примерно 60% стоимости МТБ, в то время как расходы на наностержни укладываются в 5% их нынешней цены.
По словам создателя каталитических наностержней профессора Юхонг Чена (Junhong Chen): «Топливные ячейки способны напрямую преобразовывать топливо в электричество. Вместе с ними электрическая энергия из возобновляемых источников может быть доставлена туда, куда необходимо, что чисто, эффективно и устойчиво».
Сейчас профессор Чен вместе со своей командой исследователей занят изучением точных характеристик катализатора. Их цель придать своему изобретению практическую направленность, сделать его пригодным для массового производства и применения.
По материалам Gizmag
www.facepla.net
Водородные топливные элементы и энергетические системы
Автомобиль работающий на воде скоро может стать настоящей реальностью а водородные топливные элементы будут установлены во многих домах...
Технология водородных топливных элементов не нова. Она началась в 1776 году, когда впервые Генри Кавендиш открыл водород во время растворения металлов в разбавленных кислотах. Первый водородный топливный элемент был изобретен уже в 1839 году Уильямом Гроув. С тех пор, водородные топливные элементы постепенно совершенствовались и в настоящее время они устанавливаются в космических челноках, снабжая их энергией и служа источником воды. Сегодня, технология водородных топливных элементов находится на грани появления их на массовом рынке, в автомобилях, домах и в портативных устройствах.
В водородном топливном элементе химическая энергия (в виде водорода и кислорода) преобразуется непосредственно (без горения) в электрическую энергию. Топливный элемент состоит из катода, электродов и анода. Водород подается в к аноду, где он разделяется на протоны и электроны. У протонов и электронов разные маршруты к катоду. Протоны движутся через электрод к катоду, а электроны чтобы добраться до катода проходят вокруг топливных элементов. Это движение создает в последствии используемую электрическую энергию. На другой стороне, протоны водорода и электроны в сочетании с кислородом, образуют воду.
Электролизеры являются одним из способов извлечения водорода из воды. Процесс в основном противоположен тому, что происходит при работе водородного топливного элемента. Электролизер состоит из анода, электрохимической ячейки и катода. Вода и напряжение подаются на анод, который расщепляет воду на водород и кислород. Водород проходит через электрохимическую ячейку к катоду а кислород подаётся к катоду напрямую. Оттуда, водород и кислород могут быть извлечены и сохранены. Во время, когда электричество не требуется производить, скопившийся газ может быть выведен из хранилища и пропущен обратно через топливный элемент.
В качестве топлива эта система использует водород, наверное именно поэтому имеется много мифов о её безопасности. После взрыва "Гинденбурга" многие далёкие от науки люди и даже некоторые учёные стали считать что использование водорода очень опасно. Однако недавние исследования показали, что причина этой трагедии была связана с типом материала, который использовался в строительстве, а не с водородом, который был закачан внутрь. После проведённых испытаний на безопасность хранения водорода было обнаружено, что хранение водорода в топливных элементах является более безопасным, чем хранение бензина в топливном баке автомобиля.
Сколько же стоят современные водородные топливные элементы? В настоящее время компании предлагают водородные топливные системы производящие энергию по цене около $ 3000 за киловатт. Маркетинговые исследования установили, что когда стоимость упадет до $ 1500 за киловатт, потребители на массовом рынке энергоресурсов готовы будут перейти на этот вид топлива.
Автомобили на водородных топливных элементах по-прежнему более дороги, чем автомобили на двигателях внутреннего сгорания, но производители исследуют способы довести цену до сопоставимого уровня. В некоторых отдаленных районах, где нет линий электропередач, использование водорода в качестве топлива или автономное электроснабжение дома может быть более экономичным уже сейчас, чем например создание инфраструктуры для традиционных энергоносителей.
Почему же водородные топливные элементы до сих пор не получили широкого распространения? На данный момент их высокая стоимость является основной проблемой для распространения водородных топливных элементов. Водородные топливные системы на данный момент просто не имеют массового спроса. Однако наука не стоит на месте и уже в скором будущем автомобиль работающий на воде может стать настоящей реальностью.
www.tesla-tehnika.biz
Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.
Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO 3 2-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.
Реакция на аноде: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катоде: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Общая реакция элемента: H 2 (g) + 1 / 2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O(g) + CO 2 (анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.
Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, "отравлению", и пр.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H 3 PO 4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H + , протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катоде: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО 2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы "Джемини". Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.
Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О 2 -). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О 2 -). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH 3 OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО 2 , ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катоде: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Общая реакция элемента: CH 3 OH + 3 / 2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.
Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН -), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Общая реакция системы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов - такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO 2 , который может содержаться в топливе или воздухе. CO 2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H 2 O и CH 4 , которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.
Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H 2 O + (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (C s HSO 4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO 4 2- позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
| Тип топливной элементы | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| РКТЭ | 550–700°C | 50-70% | Средние и большие установки | |
| ФКТЭ | 100–220°C | 35-40% | Чистый водород | Большие установки |
| МОПТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
| ТОТЭ | 450–1000°C | 45-70% | Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
| ПОМТЭ | 20-90°C | 20-30% | Метанол | Переносные установки |
| ЩТЭ | 50–200°C | 40-65% | Чистый водород | Космические исследования |
| ПЭТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.
Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки - 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.
