Устройство топливных элементов. Топливный элемент как альтернатива "альтернативной" энергетики

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.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.
См. также БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ .
Принцип действия. Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

В изображенном на рис. 1 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:

В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с образованием воды и электрона:

На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O2H-). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента. Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен - приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме. Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Типы топливных элементов. Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения.
Элементы на водородном топливе. В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами. Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ" в других словарях:

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ для непосредственного превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию. Соответственно сконструированные электроды погружаются в ЭЛЕКТРОЛИТ, и топливо (например, водород) подается к одному … Научно-технический энциклопедический словарь

Гальванический элемент, в котором окислительно восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, напр. водорода, и окислителя, напр. кислорода) из специальных резервуаров. Важнейшая составная часть… … Большой Энциклопедический словарь

топливный элемент - Первичный элемент, в котором электрическая энергия вырабатывается за счет электрохимических реакций между активными веществами, непрерывно поступающими к электродам извне. [ГОСТ 15596 82] EN fuel cell cell that can change chemical energy from… … Справочник технического переводчика

Прямой метанольный топливный элемент Топливный элемент электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него … Википедия

Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.

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.

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.

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).

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.

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.