Топливный элемент - что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.

История топливных элементов

История топливных элементов - это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.

Всё началось в 1839 году , когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название "топливный элемент" было подарено изобретению в год его юбилея - в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер - авторы термина.

Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».

Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК "Энергия"разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа "Буран" также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.

Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.

Принцип работы топливных элементов

Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) - на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:

2H 2 → 4H + + 4e -

где H 2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + - ионизированный водород (протон); е - - электрон.

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка):

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Характеристики топливных элементов

Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:

• они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),

  химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),

  они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).

Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В . Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.

У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80% ,

КПД почти не зависит от коэффициента загрузки ,

Ёмкость в несколько раз выше , чем в существующих аккумуляторах,

Полное отсутствие экологически вредных выбросов . Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).

Виды топливных элементов

Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:

по используемому топливу,

по рабочему давлению и температуре,

по характеру применения.

В целом, выделяют следующие типы топливных элементов :

Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells - SOFC);

Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);

Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);

Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell - DMFC);

Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);

Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);

Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells - AFC).

Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.

Проблемы топливных элементов

Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия "упакованного" водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично - курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H 2 S (сероводород), которые отравляют катализатор.

Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.

Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.

Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение

Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:

Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.

Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона - до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.

Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол - достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.

За топливными элементами - будущее!

Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.

В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.

Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?

В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.

Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии . Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.

Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор . Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.

В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.

Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.

Изобретение топливных элементов

Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом ). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.

Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.

Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.

Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.

Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)

Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.

Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)

Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.

Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.

Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.

1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.

2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

3. Электролит-протонообменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.

4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.

На рисунке показан газообразный водород (H2), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула H2 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.

Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (H2O).

Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.

Эффективность топливного элемента

Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.

Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.

Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.

Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.

Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях

Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.

У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.

Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено. Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.

Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.

Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.

Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.

Зачем нужно использовать топливные элементы?

Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.

Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.

Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.

Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.

Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды

Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.

Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.

Топливные элементы для привода автомобилей представляют со­бой электрохимические преобразователи энергии, заключенной в топливе, непосред­ственно в электроэнергию. В водородно­кислородном топливном элементе водород вступает в реакцию «холодного горения» с кислородом, в процессе которой образу­ется вода и генерируется электрический ток. Топливные элементы не содержат движу­щихся частей, работают без механического трения, с низким уровнем шума и без загряз­няющих окружающую среду выбросов.

Содержание

Принцип действия топливных элементов

Топливный элемент состоит из двух элемен­тов (анода и катода), разделенных электро­литом (см. рис. «Принцип действия топливного элемента типа PEM» ). Электролит непроницаем для электронов. Электроды соединяются друг с другом внешней электрической цепью.

На автомобилях в основном применяются топливные элементы с полимерной мембра­ной в качестве электролита, называемой также протонообменной (РЕМ) (см. рис. «Структура топливного элемента типа РЕМ» ). Принцип действия топливных элементов описан ниже на примере элементов этого типа.

В топливном элементе типа РЕМ водород на­правляется к аноду, где он окисляется. При это образуются ионы Н+ (протоны) и электроны (см. рис. 1, а).

Анод: 2 Н 2 -» 4 Н + + 4 е — .

Электролит можно рассматривать как про­водящую протоны полимерную мембрану. Электролит проницаем для протонов, но не для электронов. Протоны Н+, образующиеся на аноде, проходят через мембрану и дости­гают катода. Для того чтобы через мембрану могли проходить протоны, она должна быть достаточно увлажнена. Кислород направ­ляется к катоду, где происходит его восстановление (см. рис. b, «Принцип действия топливного элемента типа PEM» ). Восстановление происходит за счет электронов, проходящих от анода к катоду по внешней электрической цепи.

Катод: O 2 + 4 е — -> 2 О 2-

На следующей стадии реакции ионы О 2- реа­гируют с протонами с образованием воды.

Катод: 4 Н + + 2 О 2- -> 2 Н 2 O

В результате общей реакции, протекающей в топливном элементе, из водорода и кисло­рода образуется вода (см. рис. с, «Принцип действия топливного элемента типа PEM» ). В отличие от реакции с образованием гремучего газа, в ходе которой водород и кислород реагируют друг с другом взрывообразно, здесь реакция протекает в форме «холодного горения», по­скольку стадии реакции протекают раздельно на аноде и катоде.

Общая реакция: 2 Н 2 + O 2 -> 2 Н 2 O .

Описанные выше реакции протекают на ка­талитических покрытиях электродов. В каче­стве катализатора чаще всего используется платина.

Теоретическое напряжение одного эле­мента

Теоретическое напряжение одного водородно-кислородного топливного эле­мента при температуре 25 °С составляет 1,23 В. Это значение получено из стандартных значений потенциалов электродов. Однако на практике, во время работы элемента, это напряжение не достигается; оно составляет 0,5-1,0 В. Потерю напряжения можно объяс­нить внутренним сопротивлением элемента или ограничениями, налагаемыми газовой диффузией (см. рис. «Электрические характеристики топливного элемента» ). В основном напря­жение зависит от температуры, стехиометри­ческих отношений водорода и кислорода к количеству произведенного электричества, парциального давления водорода и кисло­рода и плотности тока.

На автомобилях применяются батареи топливных элементов мощностью от 5 до 100 кВт. Чтобы получить высокие напряжения, требуемые для технического примене­ния элементов, элементы последовательно соединяются в батареи (см. рис.4 «Структура батареи топливных элементов»). Батареи могут включать от 40 до 450 элементов, т.е. их максимальное рабочее напряжение со­ставляет от 40 до 450 В.

Высокие значения электрического тока до­стигаются за счет соответствующей площади поверхности мембраны. Значения выходного тока батарей топливных элементов для авто­мобилей достигает 500 А.

Принцип действия системы топливных элементов

Для использования батареи топливных эле­ментов требуются подсистемы подачи водо­рода и кислорода (см. рис.). В принципе, эти системы могут быть реализованы самыми различными способами. Описываемый здесь вариант используется во многих случаях.

Система подачи водорода в топливные элементы

Запас водорода хранится в баллоне высокого давления (700 бар). При помощи редуктора давление водорода понижается приблизи­тельно до 10 бар, и водород поступает в га­зовый инжектор.

Инжектор представляет собой электромаг­нитный клапан, при помощи которого дав­ление водорода устанавливается на стороне анода. В отличие от топливных форсунок двигателей внутреннего сгорания инжектор водорода должен обеспечивать постоянный массовый расход. Типичное значение рас­хода водорода при мощности 100 кВт состав­ляет 2,1 г/с. Максимальное значение давле­ния водорода составляет 2,5 бар.

Для работы батареи топливных элементов требуется постоянный сквозной поток водо­рода на стороне анода (мера гомогенизации). С этой целью в системе организована рецир­куляция водорода.

Разрушающие анод инородные газы на стороне анода непрерывно удаляются через электромагнитный спускной клапан. Это предотвращает накопление инородных газов, выходящих из баллона, или диффузионных газов (азота, водяных паров) со стороны ка­тода. Клапан установлен на выпуске батареи, на стороне анода. Для слива избытка воды в тракте анода используется клапан, открытый при нулевом электрическом токе.

Водород, неизбежно выходящий во время слива воды, либо сильно разбавляется воз­духом, либо каталитически преобразуется в воду.

Подача кислорода в топливные элементы

Требуемый для электрохимической реакции кислород берется из окружающего воздуха. Необходимый массовый расход кислорода, составляющий, в зависимости от требуемой мощности батареи, до 100 г/с, подается компрессором. Кислород сжимается компрессо­ром максимум до 2,5 бар и подается на сто­рону катода топливного элемента. Давление в топливном элементе регулируется клапаном динамического регулирования давления, установленным в тракте выпуска отходящих газов на выходе топливного элемента.

Для обеспечения достаточного увлажне­ния полимерной мембраны, подаваемый в элемент воздух увлажняется либо при помощи дополнительной мембраны, либо пу­тем впрыска сконденсированной воды.

Тепловой баланс топливных элементов

Электрический КПД топливных элементов составляет приблизительно 50%. Другими словами, в процессе преобразования химиче­ской энергии генерируется приблизительно такое же количество тепловой энергии, что и количество электрической энергии. Это тепло необходимо рассеивать. Рабочая темпера­тура топливных элементов типа РЕМ состав­ляет приблизительно 85 °С, что меньше тем­пературы двигателей внутреннего сгорания. Несмотря на более высокий КПД, радиатор и вентилятор радиатора, при использовании на автомобиле топливных элементов, должны быть увеличены.

Поскольку используемая охлаждающая жидкость находится в прямом контакте с топливными элементами, она должна быть электрически непроводящей (деионизован­ной). Циркуляция охлаждающей жидкости обеспечивается электрическим насосом. Расход охлаждающей жидкости составляет до 12 000 л/ч. Клапан регулирования темпе­ратуры распределяет поток охлаждающей жидкости между радиатором и перепускным каналом.

В системе используется охлаждающая жидкость, представляющая собой смесь деионизованной воды и этиленгликоля. Охлаждающую жидкость необходимо деиониозировать на автомобиле. С этой целью она пропускается через ионообменник, запол­ненный специальной смолой, и очищается в процессе удаления ионов. Проводимость охлаждающей жидкости должна составлять менее 5 мкСм/см.

Коэффициент полезного действия системы топливных элементов

В дополнение к быстрой готовности батареи топливных элементов к отдаче энергии при большинстве оптимальных рабочих условий важно обеспечить высокий КПД системы.

На рис. приведено сравнение КПД ба­тареи топливных элементов с КПД всей си­стемы. Часть электроэнергии потребляется вспомогательными компонентами, такими как компрессор, что снижает общий КПД системы. Тем не менее, системы топливных элементов обладают более высоким КПД, чем двигатели внутреннего сгорания, осо­бенно при работе в диапазоне частичных нагрузок.

Безопасность топливных элементов автомобиля

В целях обеспечения безопасности на авто­мобиле установлено несколько датчиков кон­центрации водорода. Водород представляет собой газ без цвета и запаха, который при объемной концентрации порядка 4% превра­щает воздух в горючую смесь. Датчики могут определять концентрацию водорода, начиная с 1%.

Принцип действия привода автомобилей на топливных элементах

Автомобили на топливных элементах пред­ставляют собой электромобили, в которых электроэнергия для питания электропривода генерируется системой топливных элементов.

По ряду причин целесообразно включить в систему тяговую аккумуляторную батарею:

• Это позволяет запасать энергию во время рекуперативного торможения;
• Это способствует повышению динамиче­ских характеристик привода;
• Изменяя распределение нагрузки между системой топливных элементов и тяговой аккумуляторной батареей, можно еще бо­лее увеличить к.п.д. привода.

Поскольку тяговая аккумуляторная батарея явля­ется дополнительным источником энергии, такие автомобили известны под названием гибридизи­рованных автомобилей на топливных элементах. Отношение мощности тяговой аккумуляторной батареи к общей мощности (степень ги­бридизации) варьируется в зависимости от применения системы.

Обычно в качестве основного источника энергии для привода используются системы топливных элементов. Такие автомобили из­вестны под названием гибридных автомоби­лей на топливных элементах (FCHV). Обычно системы топливных элементов имеют номи­нальную мощность 60-100 кВт. Тяговые ак­кумуляторные батареи имеют номинальную мощность до 30 кВт при емкости 1-2 кВтч.

В качестве альтернативного варианта тяговая аккумуляторная батарея может иметь значительно более высокую номинальную мощность и емкость и при необходимости заряжаться от системы то­пливных элементов. При этом достаточно иметь батарею топливных элементов с номинальной мощностью от 10 до 30 кВт. Автомобили с такой конфигурацией источников энергии известны под названием автомобилей на топливных элементах с расширенным диапазоном (FC-REX).

Распределение электроэнергии между систе­мой топливных элементов, тяговой аккумуля­торной батареей и электроприводом осущест­вляется одним или более преобразователями постоянного напряжения. Различные конфигурации таких преобразователей, выбор которых зависит от применения, показаны на рис.. В зависимости от конфигурации напряжение питания электропривода идентично напряже­нию одного из двух источников электроэнер­гии (см. рис. а и ), или изолировано от напряжения тяговой аккумуляторной батареи и батареи топливных элементов (см. рис. с, «Конфигурации преобразователей напряжения в системах привода на топливных элементах» ).

Система электропривода

Система электропривода включает силовой электронный блок (преобразователь) и элек­тродвигатель. Электродвигатель представляет собой синхронную или асинхронную электри­ческую машину, питание которой осуществля­ется от преобразователя таким образом, чтобы получить требуемый крутящий момент. По­скольку электропривод имеет высокую номи­нальную мощность (приблизительно 100 кВт), величина рабочего напряжения может дости­гать 450 В. В области автомобилестроения ис­пользуются термины «высокое напряжение» и «электрическая система высокого напряже­ния». Электрическая система высокого напря­жения изолирована от массы автомобиля.

Во время торможения автомобиля электро­двигатель переходит в генераторный режим и генерирует электрический ток. Электроэнергия запасается в тяговой аккумуляторной батарее.

При помощи преобразователя высокое на­пряжение постоянного тока преобразуется в многофазное переменное напряжение, амплитуда которого регулируется в зависи­мости от требуемого крутящего момента. Как правило, используются преобразователи с выходными каскадами на биполярных тран­зисторах с изолированным затвором (IGBT).

Тяговая аккумуляторная батарея

В зависимости от степени гибридизации использу­ются аккумуляторные батареи высокой емкости или высокой энергии с напряжением от 150 до 400 В. В качестве аккумуляторной батареи высокой емкости используются никель-металлгидридные или литий-ионные аккумуляторные батареи, в то время как в качестве аккумуляторных батарей высо­кой энергии — только литий-ионные аккумуляторы. Система мониторинга тяговой аккумулятор­ной батареи контролирует степень зарядки и емкость аккумуляторной батареи.

Преобразователь постоянного напряжения тяговой АКБ

Преобразователь постоянного напряжения тя­говой аккумуляторной батареи осуществляет регулирование тока зарядки тяговой аккуму­ляторной батареи и выходного тока (до 300 А) . Некоторые конфигурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения батареи топливных элементов

Еще одним преобразователем постоянного напряжения является преобразователь на­пряжения батареи топливных элементов, осуществляющий регулирование выходного тока в пределах до 500 А. Некоторые конфи­гурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения 12 В

Так же как на обычных автомобилях, на ав­томобилях на топливных элементах имеется электрическая система напряжением 12 В. Напряжение 12 В преобразуется из высокого напряжения. Для этой цели служит преобразо­ватель постоянного напряжения, включенный между двумя системами. Из соображений без­опасности этот преобразователь электрически изолирован. Он работает однонаправленно или двунаправленно и имеет номинальную мощность до 3 кВт.

Перспективы системы приводов на топливных элементах

Системы приводов на топливных элементах уже продемонстрировали свою пригодность в повседневной эксплуатации. Однако, для коммерческого использования в системах приводов автомобилей топливные элементы должны быть усовершенствованы в отноше­нии экономичности и возможности серий­ного производства.

Упрощение системы дает снижение затрат и повышение надежности. Одним из направ­лений является разработка новых полимер­ных мембран для топливных элементов, не требующих увлажнения образующихся в ходе реакции газов и в то же время позволяющих повысить рабочую температуру.

Кроме того, необходимо значительно сни­зить стоимость всех компонентов. В этом отношении большой потенциал заключается в уменьшении количества платины в катали­тическом слое топливного элемента.

На них работают космические корабли Национального управления по аэронавтике и космическому пространству США (НАСА). Они обеспечивают электроэнергией компьютеры Первого национального банка в Омахе. Они используются на некоторых общественных городских автобусах в Чикаго.

Это все - топливные элементы. Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесс горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.

Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства.

История развития

Первые топливные элементы были продемонстрированы сэром Вильямом Гровзом в 1839 г. Гровз показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.

После того, как это было продемонстрировано, многие ученые бросились с усердием изучать топливные элементы, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине девятнадцатого века оставило развитие топливных элементов далеко позади. Еще больше сдерживала развитие топливных элементов их высокая стоимость.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда НАСА обратилась к ним в связи с возникшей потребностью в компактном электрогенераторе для космических полетов. Были вложены соответствующие средства, и в результате полеты Apollo и Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические корабли также работают на топливных элементах.

Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают их на коммерческом рынке. Только за последние почти десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.

Как работает топливный элемент

Топливные элементы похожи на аккумуляторные батареи - они вырабатывают электричество в результате химической реакции. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и таким образом вырабатывают тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию. Если только тепло от выхлопных газов не используется каким-либо образом (например, для обогрева или кондиционирования воздуха), то можно сказать, что КПД двигателя внутреннего сгорания довольно низкий. Например, ожидается, что КПД топливных элементов при использовании в транспортном средстве - проект, который сейчас находится в стадии разработки, - будет выше КПД современных типичных двигателей на бензине, используемых в автомобилях, более чем в два раза.

Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электричество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Батареи - устройства с накопленной энергией: электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.

Существует несколько различных типов топливных элементов. Наипростейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролит. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция - электролит, окруженный двумя электродами, - представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции.

На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, которые способствуют протеканию реакции диссоциации:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = двуатомная молекула водорода, форма, в

которой водород присутствует в виде газа;

H+ = ионизированный водород, т.е. протон;

е- = электрон.

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка. Это устройство обычно называется "нагрузкой".

С катодной стороны топливного элемента протоны (которые прошли через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) "воссоединяются" и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива, такого как природный газ, бензин или метанол. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. Этот процесс называется "реформингом". Водород можно также получить из аммиака, альтернативных ресурсов, таких как газ из городских свалок и от станций очистки сточных вод, а также путем электролиза воды, при котором для разложения воды на водород и кислород используется электричество. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол.

Для реформинга топлива с целью получения водорода для топливных элементов были разработаны разные средства. Министерство энергетики США разработало топливную установку внутри машины для реформинга бензина с тем, чтобы обеспечивать подачу водорода на автономный топливный элемент. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США продемонстрировали компактную топливную установку по реформингу величиной в одну десятую размеров блока питания. Американская энергокомпания, Northwest Power Systems, и Национальная лаборатория Сандия продемонстрировали топливную реформинговую установку, которая преобразует дизельное топливо в водород для топливных элементов.

По отдельности топливные элементы производят около 0,7-1,0 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы собираются в "каскад", т.е. последовательное соединение. Чтобы создать больший ток, наборы каскадных элементов соединяются параллельно. Если объединить каскады топливных элементов с топливной установкой, системой подачи воздуха и охлаждения, а также с системой управления, то получится двигатель на топливных элементах. Этот двигатель может приводить в действие транспортное средство, стационарную электростанцию или переносной электрический генератор6. Двигатели на топливных элементах бывают разных размеров в зависимости от назначения, типа топливного элемента и используемого топлива. Например, размер каждой из четырех отдельных стационарных электростанций мощностью 200 кВт, установленных в банке в Омахе, приблизительно равен размеру прицепа грузовика.

Применения

Топливные элементы могут использоваться как в стационарных, так и в передвижных устройствах. В ответ на ужесточающиеся требования по нормам выбросов в США производители автомобилей, включая DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan стали проводить эксперименты и демонстрировать машины, работающие на топливных элементах. Ожидается, что первые коммерческие автомобили на топливных элементах появятся на дорогах в 2004 или 2005 г.

Серьезной вехой в истории развитии технологии топливных элементов стала демонстрация в июне 1993 г. экспериментального 32-футового городского автобуса компании Ballard Power System с двигателем на водородных топливных элементах мощностью 90 киловатт. С тех пор было разработано и запущено в эксплуатацию много разных типов и разных поколений пассажирских транспортных средств на топливных элементах, работающих на разных видах топлива. С конца 1996 г. в Палм Дезерт в Калифорнии стали использоваться три мототележки для гольфа на водородных топливных элементах. На дорогах Чикаго, Иллинойс; Ванкувера, Британская Колумбия; и Осло, Норвегия проводятся испытания городских автобусов, работающих на топливных элементах. На улицах Лондона проходят проверку такси, работающие на щелочных топливных элементах.

Демонстрируются также и стационарные установки, использующие технологию топливных элементов, но они пока не имеют широкого коммерческого применения. Первый национальный банк Омаха в Небраске использует систему на топливных элементах для питания компьютеров, поскольку эта система более надежна, чем старая система, работавшая от основной сети с аварийным аккумуляторным питанием. Самая большая в мире коммерческая система на топливных элементах мощностью 1,2 мВт будет скоро установлена в центре по обработке почтовой корреспонденции на Аляске. Проходят испытания и демонстрируются также работающие на топливных элементах портативные компьютеры-лаптопы, системы управления, используемые на станциях очистки сточных вод и торговые автоматы.

"За" и "против"

Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по сравнению с двигателями на бензине.

Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии.

При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар. Так на космических кораблях астронавты пьют воду, которая образуется в результате работы бортовых топливных элементов. Состав выбросов зависит от природы источника водорода. При использовании метанола образуются нулевые выбросы оксидов азота и оксида углерода и только небольшие выбросы углеводорода. Выбросы увеличиваются по мере перехода от водорода к метанолу и бензину, хотя даже при использовании бензина уровень выбросов будет оставаться достаточно низким. В любом случае замена сегодняшних традиционных двигателей внутреннего сгорания на топливные элементы привела бы к общему снижению выбросов СО2 и оксидов азота.

Использование топливных элементов обеспечивает гибкость энергетической инфраструктуры, создавая дополнительные возможности для децентрализованного производства электроэнергии. Множественность децентрализованных источников энергии позволяет снизить потери при передаче электроэнергии и развить рынки сбыта энергии (что особенно важно для отдаленных и сельских районов, при отсутствии доступа к линиям электропередач). С помощью топливных элементов отдельные жители или кварталы могут сами обеспечить себя большей частью электроэнергии и таким образом значительно повысить эффективность ее использования.

Топливные элементы предлагают энергию высокого качества и повышенной надежности. Они долговечны, у них нет подвижных частей, и они производят постоянный объем энергии.

Однако технология топливных элементов нуждается в дальнейшем совершенствовании с тем, чтобы повысить их производительность, снизить затраты и, таким образом, сделать топливные элементы конкурентноспособными относительно других энергетических технологий. Следует отметить, что когда рассматриваются затратные характеристики энергетических технологий, сравнения должны проводиться на основе всех составляющих технологических характеристик, включая капитальные эксплуатационные расходы, выбросы загрязняющих веществ, качество энергии, долговечность, вывод из эксплуатации и гибкость.

Хотя водородный газ является наилучшим топливом, инфраструктуры или транспортной базы для него еще не существует. В ближайшей перспективе для обеспечения энергоустановок источниками водорода в виде бензина, метанола или природного газа могли бы использоваться существующие системы снабжения ископаемым топливом (газовые станции и т.д.). Это исключило бы необходимость создания специальных водородозаправочных станций, но потребовало бы, чтобы на каждом транспортном средстве был установлен преобразователь ("реформатор") ископаемого топлива в водород. Недостаток этого подхода состоит в том, что он использует ископаемое топливо и, таким образом, приводит к выбросам двуокиси углерода. Метанол, являющийся в настоящее время ведущим кандидатом, создает меньше выбросов, чем бензин, но он бы потребовал установки на автомобиле емкости большего объема, поскольку он занимает в два раза больше места при одинаковом энерго-содержании.

В отличие от систем снабжения ископаемым топливом, солнечные и ветровые системы (использующие электричество для создания водорода и кислорода из воды) и системы прямого фотопреобразования энергии (использующие полупроводниковые материалы или ферменты для производства водорода) могли бы обеспечивать снабжение водородом без этапа реформинга, и, таким образом, можно было бы избежать выбросов вредных веществ, что наблюдается при использовании метаноловых или бензиновых топливных элементов. Водород мог бы накапливаться и преобразовываться в электричество в топливном элементе по мере необходимости. В перспективе соединение топливных элементов с такого рода возобновляемыми источниками энергии, скорее всего, будет эффективной стратегией обеспечения продуктивным, экологически продуманным и универсальным источником энергии.

Рекомендации IEER заключаются в том, чтобы местные и федеральные власти, а также власти штатов часть своих закупочных бюджетов по транспортному хозяйству направляли на транспортные средства на топливных элементах, а также на стационарные системы на топливных элементах для обеспечения теплом и электричеством некоторых из своих существенных или новых зданий. Это будет способствовать развитию жизненно важной технологии и снижению выбросов парниковых газов.

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