Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий. Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС
Ни кого уже не удивишь ни солнечными панелями, ни ветряками, которые во всех регионах мира вырабатывают электроэнергию. Но выработка от этих устройств не постоянна и приходится устанавливать резервные источники питания, либо подключаться к сети для получения электроэнергии в период, когда объекты ВИЭ не вырабатывают электроэнергию. Однако существуют установки, разработанные в 19 веке, которые используют «альтернативное» топливо для получения электроэнергии, т.е не сжигают газ или нефтепродукты. Такими установками являются топливные элементы.
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Топливные элементы (ТЭ) или топливные ячейки были открыты еще в 1838-1839 году Уильямом Гроувом (Гроу, Грове), когда он изучал электролиз воды.
Справка: Электролиз воды - процесс разложения воды под действием электрического тока на молекулы водорода и кислорода
Отключив от электролитической ячейки батарею, он с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событием в энергетике. В дальнейшем он создал аккумулятор Гроува. В этом устройстве был платиновый электрод, погруженный в азотную кислоту, и цинковый электрод в сульфате цинка. Он генерировал ток в 12 ампер и напряжение 8 вольт. Сам Гроу назвал эту конструкцию «мокрой батарейкой» . Затем он создал аккумулятор, используя два платиновых электрода. Один конец каждого электрода находился в серной кислоте, а другие концы запечатаны в контейнеры с водородом и кислородом. Между электродами был стабильный ток, внутри контейнеров увеличивалось количество воды. Гроу смог разложить и улучшить воду в этом устройстве.
«Аккумулятор Гроу»
(источник: Королевское сообщество Национального музея естественной истории)
Термин «топливный элемент» (англ. «Fuel Cell») появился лишь в 1889 году Л. Мондом и
Ч. Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
Топливный элемент — относительно простое устройство . В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. ТЭ оснащены еще одним элементом — мембраной. Превращение химической энергии топлива непосредственно в электричество, происходит благодаря работе именно мембраны. Она отделяет две камеры элемента, в которые подают топливо и окислитель. Мембрана позволяет проходить из одной камеры в другую только протонам, которые получаются в результате расщепления топлива, на электроде, покрытом катализатором (электроны при этом пробегают по внешней цепи). Во второй камере протоны воссоединяются с электронами (и атомами кислорода), образуя воду.
Принцип работы водородного топливного элемента
На химическом уровне процесс превращения энергии топлива в электрическую энергию схож с обычным процессом горения (окисления).
При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Посмотрим что происходи при окислении водорода кислородом в среде электролита и при наличии электродов.
Подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде протекает химическая реакция:
2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -
Как видно получим электроны, которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция:
4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -
Видно, что результирующая реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе получается электрический ток и частично тепло .
ВИДЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Классифицировать ТЭ принято по виду электролита использующемся для протекания реакции:
Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.
КПД ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
Особенностью топливных элементов является отсутствие жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин.
Справка: КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами.
Поэтому КПД топливных элементов в теории может быть выше 100%. Многие улыбнулись и подумали «Вечный двигатель изобрели значит». Нет, тут стоит вернуться к школьному курсу химии. В основе топливного элемента лежит преобразование химической энергии в электрическую. Вот тут и возникают чудеса. Определённые химической реакции в процессе протекания могут поглощать теплоту из окружающей среды.
Справка: Эндотермические реакции — химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты. Для эндотермических реакций изменение энтальпии и внутренней энергии имеют положительные значения (Δ H>0, Δ U>0), таким образом, продукты реакции содержат больше энергии, чем исходные компоненты.
Примером такой реакции может служить окисление водорода, которая и используется в большинстве топливных элементов. Поэтому теоретически КПД может больше 100%. Но сегодня топливные элементы в процессе работы нагреваются и не могут поглощать теплоту из окружающей среды.
Справка: Это ограничение накладывает второй закон термодинамики. Не возможен процесс передачи тепла от «холодного» тела к «горячему».
Плюс ко всему имеются потери, связанные с неравновесными процессами. Такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Поэтому топливные элементы не вечные двигатели и КПД их меньше 100%. Но их КПД больше, чем у остальных машин. Сегодня эффективность топливного элемента достигает 80% .
Справка: В сороковые годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими (источник: http://www.powerinfo.ru/).
ПРОБЛЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Практически все топливные элементы в качестве топлива используют водород, так что возникает логичный вопрос: «Где его взять?»
Кажется, открыли топливный элемент в результате электролиза, вот и можно использовать водород выделившейся в результате электролиза. Но давайте разберем этот процесс подробнее.
Согласно закону Фарадея: количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Значит, чтобы получить больше водорода необходимо потратить больше электроэнергии. Существующие методы электролиза воды проходят с кпд меньше единицы. Затем полученный водород мы используем в ТЭ, где кпд также меньше единицы. Следовательно мы затратим энергии больше, чем сможем выработать.
Конечно, можно использовать водород, получаемый из природного газа. Этот способ получения водорода остается самым дешевым и популярным. В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Но возникает проблема с хранением и транспортировкой водорода. Водород имеет маленькую плотность (один литр водорода весит 0,0846 гр ), поэтому чтобы транспортировать его на дальние расстояния его необходимо сжимать. А это дополнительные энергетические и денежные затраты. Так же не стоит забывать о безопасности.
Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H 2 и CO 2 . Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.
Катализатор
Для повышения протекания реакции в ТЭ поверхность анода обычно катализатором. До не давнего времени в качестве катализатора использовалась платина. Поэтому стоимость топливного элемента была высока. Во-вторых, платина относительно редкий металл. По мнению специалистов, при промышленном производстве топливных элементов разведанные запасы платины закончатся через 15-20 лет. Но ученые всего мира пытаются заменить платину на другие материалы. Кстати некоторые из них достигли неплохих результатов. Так китайские ученые заменили платину на окисел кальция (источник: www.cheburek.net).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Впервые топливный элемент в автотехники испытали в 1959 г. Трактор Элис-Чемберз, использовал для работы 1008 аккумуляторов. Топливом являлась смесь газов, в основном пропана и кислорода.
Источник: http://www.planetseed.com/
С середины 60-ых в разгар «космической гонки» топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытаны в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл". В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе (источник: http://www.powerinfo.ru/).
Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Поэтому свою популярность ТЭ стали приобретать на фоне всеобщей заинтересованности в экологии.
Уже в настоящее время производители автомобилей, такие как «Honda», «Ford», «Nissan» и «Mercedes-Benz» создали автомобили работающие на водородных топливных элементах.
Mercedes-Benz - Ener-G-Force, работающий на водороде
При использовании автомобилей на водороде, решается проблема с хранением водорода. Строительство заправок с водородом позволит получить возможность заправки в любом месте. Тем более заправлять автомобиль водородом быстрее, чем заряжать электромобиль на заправке. Но при реализации подобных проектов столкнулись с проблемой как у электромобилей. Люди готовы «пересесть» на автомобиль на водороде, если будет инфраструктура для них. А строительство заправок начнется, если будет достаточное количество потребителей. Поэтому опять пришли к дилемме яйца и курицы.
Широкое применение топливные элементы нашли в мобильных телефонах и ноутбуках. Уже прошло то время когда телефон заряжали раз в неделю. Сейчас телефон заряжается, чуть ли не каждый день, а ноутбук без сети работает 3-4 часа. Поэтому производители мобильной техники решили синтезировать топливный элемент с телефонами и ноутбуками для зарядки и работы. Например, компания «Toshiba» в 2003г. продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Опять же, та же «Toshiba» демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.
Но некоторые производители пошли дальше. Компания «PowerTrekk» выпустила зарядное устройство с одноименным названием. PowerTrekk - первое зарядное водяное устройство в мире. Использовать его очень легко. В PowerTrekk необходимо добавить воды, чтобы обеспечить мгновенную подачу электричества через шнур USB. Данный топливный элемент содержит кремниевый порошок и силицид натрия (NaSi) при смешивании с водой, данное сочетание генерирует водород. Водород смешивается с воздухом в самом топливном элементе, и он преобразует водород в электричество посредством его мембранно-протонного обмена, без вентиляторов или насосов. Купить такое портативное зарядное устройство можно за 149 € (
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.
Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки - 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.
Преимущества топливных элементов/ячеек
Топливный элемент / ячейка – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы/ячейки не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы/ячейки могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха.
В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы/ячейки не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибрации. Топливные элементы/ячейки вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов/ячеек является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе - являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы/ячейки собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.
История развития топливных элементов/ячеек
В 1950х и 1960х годах одна из самых ответственных задач для топливных элементов родилась из потребности Национального управления по аэронавтике и исследованиям космического пространства США (NASA) в источниках энергии для длительных космических миссий. Щелочной топливный элемент/ячейка NASA использует в качестве топлива водород и кислород, соединяя эти два химических элемента в электрохимической реакции. На выходе получаются три полезных в космическом полете побочных продукта реакции – электричество для питания космического аппарата, вода для питья и систем охлаждения и тепло для согревания астронавтов.
Открытие топливных элементов относится к началу XIX века. Первое свидетельство об эффекте топливных элементов было получено в 1838 году.
В конце 1930х начинается работа над топливными элементами со щелочным электролитом и к 1939 году построен элемент, использующую никелированные электроды под высоким давлением. В ходе Второй Мировой Войны разрабатываются топливные элементы/ячейки для подлодок британского флота и в 1958 году представлена топливная сборка, состоящая из щелочных топливных элементов/ячеек диаметром чуть более 25 см.
Интерес возрос в 1950-1960е годы, а также в 1980е, когда промышленный мир пережил нехватку нефтяного топлива. В этот же период мировые страны также озаботились проблемой загрязнения воздуха и рассматривали способы экологически чистого получения электроэнергии. В настоящее время технология производства топливных элементов/ячеек переживает этап бурного развития.
Принцип работы топливных элементов/ячеек
Топливные элементы/ячейки вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.
Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород - на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Ниже приведена соответствующая реакция:
Реакция на аноде: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Типы и разновидность топливных элементов/ячеек
Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливного элемента 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/ячейки 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.
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: СO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Общая реакция элемента: H 2 (g) + 1/2O 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.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 3,0 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 110 МВт.
Топливные элементы/ячейки на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования.
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, 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 - => 2 H 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 500 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Твердооксидные топливные элементы/ячейки (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-).
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 60-70%. 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 75%.
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/ячейки 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: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Общая реакция элемента: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.
Щелочные топливные элементы/ячейки (ЩТЭ)
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°C до 220°C. 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 - => 4 OH -
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. 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 CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.
Полимерные электролитные топливные элементы/ячейки (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°C.
Твердокислотные топливные элементы/ячейки (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO 4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°C. 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.
Различные модули топливных элементов. Батарея топливного элемента
- Батарея топливных элементов
- Остальное оборудование, работающее при высокой температуре (интегрированный парогенератор, камера сгорания, устройство смены теплового баланса)
- Теплостойкая изоляция
Модуль топливного элемента
Сравнительный анализ типов и разновидностей топливных элементов
Инновационные энергосберегающие коммунально-бытовые теплоэнергетические установки обычно построены на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), полимерных электролитных топливных элементах (ПЭТЭ), топливных элементах на фосфорной кислоте (ФКТЭ), топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ) и щелочных топливных элементах (ЩТЭ). Обычно имеют следующие характеристики:
Наиболее подходящими следует признать твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), которые:
- работают при более высокой температуре, что уменьшает необходимость в дорогих драгоценных металлах (таких, как платина)
- могут работать на различных видах углеводородного топлива, в основном на природном газе
- имеют большее время запуска и потому лучше подходят для длительного действия
- демонстрируют высокую эффективность выработки электроэнергии (до 70%)
- из-за высоких рабочих температур установки могут быть скомбинированы с системами обратной теплоотдачи, доводя общую эффективность системы до 85%
- имеют практически нулевой уровень выбросов, работают бесшумно и предъявляют низкие требованиями к эксплуатации в сравнении с существующими технологиями выработки электроэнергии
| 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 |
| ЩТЭ | 50–200°C | 40-70% | Чистый водород | Космические исследования |
| ПЭТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
Поскольку малые теплоэнергетические установки могут подключаться к обычной сети подачи газа, топливные элементы не требуют отдельной системы подачи водорода. При использовании малых теплоэнергетических установок на основе твердооксидных топливных ячеек вырабатываемое тепло может интегрироваться в теплообменники для нагрева воды и вентиляционного воздуха, увеличивая общую эффективность системы. Эта инновационная технология наилучшим образом подходит для эффективной выработки электричества без необходимости в дорогой инфраструктуре и сложной интеграции приборов.
Применение топливных элементов/ячеек
Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации
Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.
Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.
С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.
Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:
- НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
- ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
- ТИШИНА – низкий уровень шумов
- УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
- АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
- ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
- НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
- ЭКОНОМИЧНОСТЬ - привлекательная совокупная стоимость владения
- ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду
Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.
Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.
Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.
На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.
Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.
Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.
Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи
Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.
При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.
Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.
Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.
Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных
Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.
Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.
Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:
- Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
- Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
- Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
- Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
- Узлы передачи по протоколу WiMAX
Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:
- Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
- Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
- Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
- Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.
Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности
Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.
Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.
Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.
Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.
Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации
На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.
Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях
Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.
На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.
Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.
Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа
Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.
Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.
- Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
- Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
- Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
- Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
- Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
- Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
- Выход воды: отсутствует.
- Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу
В последнее время тема топливных элементов у всех на устах. И это не удивительно, с приходом этой технологии в мир электроники она обрела новое рождение. Мировые лидеры в области микроэлектроники наперегонки представляют прототипы своих будущих продуктов, в которых будут интегрированы собственные мини электростанции. Это должно с одной стороны ослабить привязку мобильных устройств к "розетке", а с другой стороны продлить срок их автономной работы.
Кроме того часть из них работает на основе этанола, так что развитие данных технологий есть прямая польза производителям спиртных напитков – через какой десяток лет в виноводочный будут выстраиваться очереди из "айтишников", стоящих за очередной "дозой" для своего ноутбука.
Мы не можем остаться в стороне от "лихорадки" топливных элементов, охватившей Hi-Tech индустрию, и попробуем разобраться что за зверь эта технология, с чем ее едяти когда стоит ожидать ее прихода в "общепит". В этом материале мы рассмотрим путь, пройденный топливными элементами с момента открытия этой технологии до сегодняшнего дня. А также попытаемся дать оценку перспективности их внедрения и развития в будущем.
Как это было
Впервые принцип устройства топливного элемента описал еще в 1838 году Кристиан Шёнбайн (Christian Friedrich Schonbein), а уже спустя год "Философский журнал" опубликовал его статью, посвященную этой теме. Однако это были лишь теоретические изыскания. Первый же действующий топливный элемент увидел свет в 1843 году в лаборатории ученого валийского происхождения сэра Уильяма Грова (William Robert Grove). При его создании изобретатель использовал материалы сходные с теми, что применяются в современных батареях на фосфорной кислоте. Впоследствии топливный элемент сэра Грова был усовершенствован Томасом Груббом (W. Thomas Grub). В 1955 году этот химик, работавший на легендарную компанию General Electric, использовал в качестве электролита в топливном элементе ионообменную мембрану из сульфированного полистирола. Спустя лишь три года его коллега по работе Леонард Нидрах (Leonard Niedrach) предложил технологию укладки на мембрану платины, выступавшей в роли катализатора в процессе окисления водорода и поглощения кислорода.
"Отец" топливных элементов Кристиан Шёнбайн
Эти принципы легли в основу нового поколения топливных элементов, называемых в честь их создателей элементы "Грубб-Нидрах". Компания General Electric продолжила разработки в этом направлении, в рамках которых при содействии NASA и авиационного гиганта McDonnell Aircraft был создан первый коммерческий топливный элемент. На новую технологию обратили внимание за океаном. И уже в 1959 году британец Фрэнсис Бейкон (Francis Thomas Bacon) представил стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. Его патентованные разработки были в последствии лицензированы американцами и использовались в космических кораблях NASA в системах питания и снабжения питьевой водой. В том же году американец Гарри Ириг (Harry Ihrig) построил первый трактор на топливных элементах (общая мощность 15 кВт). В качестве электролита в батареях использовался гидроксид калия, а в роли реагентов применялись сжатый водород и кислород.
Впервые "на поток" выпуск стационарных топливных элементов для коммерческих целей поставила компания UTC Power, предлагавшая системы резервного электроснабжения для больниц, университетов и бизнес-центров. Эта компания, являющаяся мировым лидеров в этой области, до сих пор выпускает подобные решения мощностью до 200 кВт. Она же является главным поставщиком топливных элементов для NASA. Ее продукция широко использовалась в ходе космической программы Apollo и до сих пор востребована в рамках программы Space Shuttle. UTC Power также предлагает и топливные элементы "широкого потребления", находящие широкое применение в транспортных средствах. Ею впервые был создан топливный элемент, позволяющий получать ток при отрицательных температурах благодаря использованию протонообменной мембраны.
Как это работает
Исследователи экспериментировали с различными веществами в качестве реагентов. Однако основные принципы работы топливных элементов, несмотря на существенно отличающиеся эксплуатационные характеристики, остаются неизменными. Любой топливный элемент представляет собой устройство электрохимического преобразования энергии. Оно вырабатывает электричество из некого количества топлива (со стороны анода) и окислителя (со стороны катода). Реакция протекает в присутствии электролита (вещество содержащее свободные ионы и ведущее себя как электропроводящая среда). В принципе в любом таком устройстве есть некие реагенты поступающие в него и продукты их реакции, выводимые после осуществления электрохимической реакции. Электролит в данном случае служит лишь средой для взаимодействия реагентов и не меняется в топливном элементе. Исходя из такой схемы идеальный топливный элемент должен работать так долго, пока есть подача необходимых для реакции веществ.
Здесь нельзя путать топливные элементы с обычными батарейками. В первом случае для производства электричества потребляется некое "топливо", которое в последствии нужно заправлять вновь. В случае же с гальваническими элементами электричество хранится в замкнутой химической системе. В случае с аккумуляторами подача тока позволяет осуществить обратную электрохимическую реакцию и вернуть реагенты в исходное состояние (т.е. зарядить его). Возможны различные комбинации топлива и окислителя. Например, в водородном топливном элементе в качестве реагентов используется водород и кислород (окислитель). Нередко в качестве топлива используются гидрокарбонаты и спирты, а в роли оксидантов выступают воздух, хлор и двуокись хлора.
Реакция катализа, проходящая в топливном элементе, выбивает электроны и протоны из топлива, а движущиеся электроны образуют электрический ток. В роли катализатора, ускоряющего реакцию, в топливных элементах как правило используются платина или ее сплавы. Другой каталитический процесс возвращает электроны, объединяя их с протонами и окислителем, в результате чего образуются продукты реакции (выбросы). Как правило эти выбросы представляют собой простые вещества: воду и углекислый газ.
В традиционном топливном элементе с протонообменной мембраной (PEMFC) полимерная протонопроводящая мембрана разделяет стороны анода и катода. Со стороны катода водород диффундирует на анодный катализатор, где из него в последствии выделяются электроны и протоны. Протоны затем проходят через мембрану к катоду, а электроны, неспособные следовать за протонами (мембрана электрически изолирована), направляются по цепи внешней нагрузки (система энергоснабжения). На стороне катодного катализатора кислород вступает в реакцию с протонами, прошедшими через мембрану, и электронами, поступающими по цепи внешней нагрузки. В результате этой реакции получается вода (в виде пара или жидкости). Например, продуктами реакций в топливных элементах, использующих углеводородное топливо (метанол, дизельное топливо), являются вода и двуокись углерода.
Топливные элементы практически всех типов страдают от электрических потерь, вызванных как естественным сопротивлением контактов и элементов топливного элемента, так и электрическим перенапряжением (дополнительная энергия, необходимая для осуществления исходной реакции). В ряде случаев полностью избежать этих потерь не возможно и иногда "овчинка не стоит выделки", однако чаще всего их можно свести к допустимому минимуму. Вариантом решения этой проблемы является использование комплектов из этих устройств, в которых топливные элементы, в зависимости от предъявляемых к системе электроснабжения требований, могут подключаться параллельно (больший ток) или последовательно (большее напряжение).
Виды топливных элементов
Видов топливных элементов великое множество, однако мы постараемся вкратце остановиться на наиболее распространенных из них.
Щелочные топливные элементы (AFC)
Алкалайновые или щелочные топливные элементы, называемые также как элементы Бэкона в честь их британского "отца", являются одной из наиболее хорошо разработанной технологией топливных элементов. Именно эти устройства помогли человеку ступить на Луну. Вообще NASA использует топливные элементы этого типа уже с середины 60-ых годов прошлого века. AFC потребляют водород и чистый кислород, производя питьевую воду, тепло и электричество. Во многом благодаря тому, что эта технология прекрасно отработана, у нее один из наивысших показателей эффективности среди подобных систем (потенциал около 70%).
Однако у этой технологии есть и свои недостатки. Из-за специфики использования в качестве электролита жидкого щелочного вещества, которое не блокирует углекислый газ, возможно вступление в реакцию гидроксида калия (один из вариантов используемого электролита) с этим составляющим обычного воздуха. В результате может получиться ядовитое соединение карбонад калия. Во избежание этого необходимо использовать либо чистый кислород, либо производить очистку воздуха от углекислого газа. Естественно, это сказывается на стоимости подобных устройств. Однако не смотря даже на это, AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами, доступными сегодня.
Прямой борогидридный топливные элементы (DBFC)
Этот подтип щелочных топливных элементов использует в качестве топлива борогидрид натрия. Однако в отличие от обычных AFC на водороде, у этой технологии есть одно существенное преимущество - отсутствие риска получения ядовитых соединений после контакта с углекислым газом. Однако продуктом его реакции является вещество бура, широко используемое в моющих средствах и мыле. Бура относительно не токсична.
DBFC можно сделать даже дешевле традиционных топливных элементов, поскольку они не требуют дорогих платиновых катализаторов. К тому же они обладают большей энергетической плотностью. Подсчитано, что производства килограмма борогидрида натрия обходится в $50, но если организовать его массовое производство и наладить переработку буры, то эту планку можно снизить в 50 раз.
Топливные элементы на металлических гидридах (MHFC)
Этот подкласс щелочных топливных элементов в настоящее время активно изучается. Особенностью этих устройств является способность химически хранить водород внутри топливного элемента. Такой же способностью обладает и прямой борогидридный топливный элемент, но в отличие от него MHFC заполняется чистым водородом.
Среди отличительных характеристик этих топливных элементов можно выделить следующие:
- способность перезаряжаться от электрической энергии;
- работа при низких температурах - до -20°C;
- длительный срок хранения;
- быстрый "холодный" старт;
- способность некоторое время работать без внешнего источника водорода (на время замены топлива).
Не смотря на то, что многие компании работают над созданием массовых MHFC, пока эффективность прототипов недостаточно высока в сравнении с конкурирующими технологиями. Один из наилучших показателей плотности тока для этих топливных элементов составляет 250 миллиампер на квадратный сантиметр, при этом обычные топливные элементы стандарта PEMFC обеспечивают плотность тока в 1 ампер на квадратный сантиметр.
Электро-гальванические топливные элементы (EGFC)
Химическая реакция в EGFC проходит при участии гидроксида калия и кислорода. Это создает электрический ток между свинцовым анодом и позолоченным катодом. Напряжение, выдаваемое электро-гальваническим топливным элементом, прямо пропорционально количеству кислорода. Эта особенность позволила EGFC найти широкое применение в качестве устройств проверки концентрации кислорода в аквалангах и медицинском оборудовании. Но именно благодаря этой зависимости у топливных элементов на гидроксиде калия весьма ограниченный срок эффективной работы (пока концентрация кислорода велика).
Первые сертифицированные устройства проверки концентрации кислорода на EGFC стали массово доступны в 2005 году, но тогда не снискали большой популярности. Выпущенная спустя два года существенно модифицированная модель была гораздо успешнее и даже получила приз за "инновацию" на специализированной выставке дайверов в Флориде. В настоящее время их используют такие организации как NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и DDRC (Diving Diseases Research Centre).
Прямые топливные элементы на муравьиной кислоте (DFAFC)
Эти топливные элементы являются подтипом PEMFC-устройств с прямой подачей муравьиной кислоты. Благодаря своим специфическим особенностям эти топливные элементы имеют большие шансы в будущем стать главным средством питания такой портативной электроники, как ноутбуки, сотовые телефоны и т.д.
Как и метанол, муравьиную кислоту напрямую подают в топливный элемент без специальной стадии очистки. Хранить это вещество также намного безопаснее, чем, например, водород, к тому же не требуется обеспечивать какие-либо специфические условия хранения: муравьиная кислота является жидкостью при нормальной температуре. Более того, у этой технологии есть и два неоспоримых преимущества перед прямыми метаноловыми топливными элементами. Во-первых, в отличие от метанола, муравьиная кислота не просачивается через мембрану. Поэтому эффективность DFAFC по определению должна быть выше. Во-вторых, в случае разгерметизации, муравьиная кислота не столь опасна (метанол может вызывать слепоту, а при сильной дозировке и смерть).
Что интересно, до недавнего времени многие ученые не рассматривали эту технологию как имеющую практическое будущее. Причиной, побудившей исследователей на многие годы "поставить крест" на муравьиной кислоте, было высокое электрохимическое перенапряжение, приводившее к существенным электрическим потерям. Но результаты недавних экспериментов показали, что причина такой неэффективности была в использовании платины в качестве катализатора, которая традиционно широко применялась для этих целей в топливных элементах. После того, как ученые из Иллинойсского Университета провели ряд опытов с другими материалами, оказалось, что в случае применения палладия в качестве катализатора продуктивность DFAFC выше, чем у эквивалентных прямых метанольных топливных элементов. В настоящее время правами на эту технологию обладает американская компания Tekion, предлагающая линейку своих продуктов Formira Power Pack для устройств микроэлектроники. Эта система представляет собой "дуплекс", состоящий из аккумуляторной батареи и собственно топливного элемента. После того, как запас реагентов в картридже, заряжающем батарейку, иссякает, пользователь просто меняет его на новый. Таким образом он становится полностью независим от "розетки". Согласно обещаниям производителя, время между зарядами увеличится вдвое при том, что технология обойдется лишь на 10-15% дороже обычных батареек. Единственным серьезным препятствием на пути этой технологии может стать то, что ее поддерживает компания средней руки и ее попросту могут "завалить" конкуренты большего масштаба, представляющие свои технологии, которые могут даже уступать DFAFC по ряду параметров.
Прямые метанольные топливные элементы (DMFC)
Эти топливные элементы являются подвидом устройств с протонообменной мембраной. В них используется метанол, заправляемый в топливный элемент без дополнительной очистки. При этом метиловый спирт гораздо проще хранить и он не взрывоопасен (хотя он горюч и может вызывать слепоту). При этом у метанола энергетическая емкость существенно выше, чем у сжатого водорода.
Однако из-за того, что метанол способен просачиваться через мембрану, эффективность DMFC при больших объемах топлива невелика. И хотя по этой причине они не годятся для транспорта и крупных установок, эти устройства прекрасно подходят на роль заменителей аккумуляторных батарей на мобильных устройствах.
Топливные элементы на обработанном метаноле (RMFC)
Топливные элементы на обработанном метаноле отличаются от DMFC лишь тем, что в них метанол на стадии предшествующей выработке электричества преобразуется в водород и углекислый газ. Это происходит в специальном устройстве именуемом топливный процессор. После этой предварительной стадии (реакция осуществляется при температуре выше 250°C), водород ступает в реакцию окисления, в результате которой образуется вода и вырабатывается электричество.
Использование метанола в RMFC обусловлено тем, что он является природным носителем водорода, и при достаточно низкой температуре (по сравнению с другими веществами) может быть разложен на водород и углекислый газ. Поэтому эта технология и более совершена, чем DMFC. Топливные элементы на обработанном метаноле позволяют добиться большей эффективности, их компактности и работы при температурах ниже нуля.
Прямые этанольные топливные элементы (DEFC)
Еще один представитель класса топливных элементов с протонообменной решеткой. Как следует из названия, этанол поступает в топливный элемент минуя стадии дополнительной очистки или разложения на более простые вещества. Первый плюс этих устройств - это использование этилового спирта вместо токсичного метанола. Это означает, что не нужно вкладывать огромные деньги в налаживание этого топлива.
Энергетическая плотность спирта приблизительно на 30% выше, чем у метанола. К тому же его можно получать в больших количествах из биомассы. В целях снижения стоимости топливных элементов на этаноле, активно ведется поиск альтернативного материала катализатора. Платина, традиционно используемая в топливных элементах для этих целей, слишком дорога и является существенным препятствием на пути массового внедрения этих технологий. Решением этой проблемы могут стать катализаторы из смеси железа, меди и никеля, демонстрирующие в экспериментальных системах впечатляющие результаты.
Цинково-воздушные топливные элементы (ZAFC)
ZAFC для производства электрической энергии используют окисление цинка кислородом из воздуха. Эти топливные элементы недороги в производстве и обеспечивают достаточно высокую плотность энергии. В настоящее время их используют в слуховых аппаратах и экспериментальных электрических автомобилях.
Со стороны анода находится смесь частичек цинка с электролитом, а со стороны катода вода и кислород из воздуха, которые реагируют друг с другом и образуют гидроксил (его молекула представляет собой атом кислорода и атом водорода, между которыми существует ковалентная связь). В результате реакции гидроксила с цинковой смесью высвобождаются электроны, идущие к катоду. Максимальное напряжение, которое выдается такими топливными элементами, - это 1.65 В, но, как правило, его искусственно снижают до 1.4–1.35 В, ограничивая доступ воздуха в систему. Конечными продуктами этой электрохимической реакции являются оксид цинка и вода.
Возможно использование этой технологии, как в батарейках (без перезарядки), так и в топливных элементах. В последнем случае, камера со стороны анода очищается и заполняется вновь цинковой пастой. В целом, технология ZAFC зарекомендовали себя как простые и надежные элементы питания. Их неоспоримым плюсом является возможность управлять реакцией лишь регулируя подачу воздуха в топливный элемент. Многие исследователи рассматривают цинково-воздушные топливные элементы в качестве будущего главного источника питания электрических транспортных средств.
Микробные топливные элементы (MFC)
Идея использовать бактерии на благо человечества не нова, хотя до претворения этих задумок в жизнь дошло недавно. В настоящее время активно изучается вопрос коммерческого использования биотехнологий для производства различных продуктов (например, выработка водорода из биомассы), нейтрализации вредных веществ и производства электроэнергии. Микробные топливные элементы, еще именуемые биологическими, представляют собой биологическую электрохимическую систему, вырабатывающую электрический ток благодаря использованию бактерий. Эта технология основана на катаболизме (разложение сложной молекулы на более простую с выделением энергии) таких веществ как глюкоза, ацетат (соль уксусной кислоты), бутират (соль масляной кислоты) или сточные воды. Благодаря их окислению, высвобождаются электроны, которые передаются на анод, после чего по проводнику выработанный электрический ток поступает к катоду.
В таких топливных элементах как правило используются медиаторы, улучшающие проходимость электронов. Проблема в том, что вещества, играющие роли медиаторов, дороги и токсичны. Однако, в случае использования электрохимически активных бактерий, нужда в медиаторах отпадает. Такие "без медиаторные" микробные топливные элементы начали создавать совсем недавно и потому, пока далеко не все их свойства хорошо изучены.
Несмотря на препятствия, которые MFC еще только предстоит преодолеть, у этой технологии огромный потенциал. Во-первых, "топливо" найти не представляет особого труда. И более того, сегодня вопрос очистки сточных вод и утилизации многих отходов стоит очень остро. Применение этой технологии могло бы решить обе эти проблемы. Во-вторых, теоретически ее эффективность может быть очень высокой. Главной проблемой для инженеров микробных топливных элементов являются, и собственно важнейший элемент этого устройства, микробы. И пока микробиологи, получающие многочисленные гранды на исследования, ликуют, писатели-фантасты тоже потирают руки, предвкушая успех книг, посвященных последствиям "выхода в свет" неправильных микроорганизмов. Естественно, что риск вывести что-то такое, что "переваривало" бы не только не нужные отходы, но и что-то ценное, есть. Поэтому в принципе, как и в случае с любыми новыми биотехнологиями, люди относятся к идее носить в кармане коробочку, кишащую бактериями, с опаской.
Применение
Стационарные бытовые и промышленные электростанции
Топливные элементы находят широкое применение в качестве источников энергии во всевозможных автономных системах, как, например, космические корабли, удаленные метеостанции, военные объекты и т.д. Главное преимущество такой системы электроснабжения, чрезвычайно высокая по сравнению с другими технологиями надежность. Ввиду отсутствия в топливных элементах подвижных частей и каких-либо механизмов надежность систем энергоснабжения может достигать 99.99%. К тому же, в случае использования водорода в качестве реагента можно добиться очень малого веса, что в случае с космическим оборудованием, является одним из важнейших критериев.
В последнее время все большее распространение получают комбинированные тепло-электро установки, широко используемые в жилых домах и офисах. Особенность этих систем заключается в том, что они постоянно вырабатывают электричество, которое если не потребляется сразу, то используется для нагрева воды и воздуха. Не смотря на то, что электрическое КПД таких установок лишь 15-20%, этот недостаток компенсируется тем, что неиспользованное электричество идет на производство тепла. В целом же энергетический КПД подобных комбинированных систем составляет около 80%. Одним из лучших реагентов для подобных топливных элементов служит фосфорная кислота. Эти установки обеспечивают энергетическое КПД на уровне 90% (35-50% электричество и остальное тепловая энергия).
Транспорт
Энергетические системы на базе топливных элементов широко используются и на транспорте. К слову немцы одними из первых начали устанавливать топливные элементы на транспортные средства. Так первая в мире коммерческая лодка, оборудованная такой установкой, дебютировала восемь лет назад. Это небольшое судно окрещенное "Hydra" и рассчитанное на перевозку до 22 пассажиров было спущено на воду вблизи бывшей столицы ФРГ в июне 2000 года. В качестве энергонесущего реагента выступает водород (щелочной топливный элемент). Благодаря использованию алкалайновых (щелочных) топливных элементов, установка способна вырабатывать ток при температурах до –10°C и не "боится" соленой воды. Лодка "Hydra", приводимая в движение электрическим двигателем мощностью 5 кВт, способна развивать скорость до 6 узлов (около 12 км/ч).
Лодка "Hydra"
Гораздо большее распространение получили топливные элементы (в частности на водороде) на наземном транспорте. Вообще водород уже достаточно давно используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, и в принципе обычный двигатель внутреннего сгорания достаточно легко переоборудовать на использование этого альтернативного вида топлива. Однако традиционное сжигание водорода менее эффективно, чем выработка электричества путем осуществления химической реакции между водородом и кислородом. И в идеале водород в том случае, если он будет использоваться в топливных элементах, будет абсолютно безопасен для природы или как говорят "дружелюбен к окружающей среде", поскольку в процессе химической реакции не выделяется углекислого газа или иных веществ, умиляющих "парниковый эффект".
Правда здесь, как и следовало ожидать, есть несколько больших "но". Дело в том, что многие технологии получения водорода из не возобновляемых ресурсов (природный газ, уголь, нефтепродукты) не столь безвредны для окружающей среды, поскольку в их процессе выделяется большое количество двуокиси углерода. Теоретически если для его получения использовать возобновляемые ресурсы, то тогда вредных выбросов не будет вовсе. Однако в этом случае существенно возрастает себестоимость. По мнению многих экспертов, по этим причинам потенциал водорода, как заменителя бензина или природного газа весьма ограничен. Уже сейчас есть менее дорогостоящие альтернативы и, скорее всего, топливным элементам на первом элементе периодической таблицы так и не удаться стать массовым явлением на транспортных средствах.
Производители автомобилей достаточно активно экспериментируют с водородом в качестве источника энергии. И главной причиной тому служит достаточно жесткая позиция ЕС в отношении вредных выбросов в атмосферу. Подгоняемые все более строгими ограничениями, вводимыми в Европе, компании Daimler AG, Fiat и Ford Motor Company представили свое видение будущего топливных элементов в автомобиле строении, оборудовав подобными силовыми установками свои базовые модели. Еще один европейский автогигант Volkswagen в настоящее время готовит свой автомобиль на топливных элементах. Не отстают от них японские и южно-корейские фирмы. Впрочем, далеко не все ставят на эту технологию. Многие предпочитают модифицировать двигатели внутреннего сгорания или комбинировать их с электрическими моторами, работающими от аккумуляторов. По этому пути пошли Toyota, Mazda и BMW. Что до американских компаний, то помимо Ford с его моделью Focus, несколько автомобилей на топливных элементах представила и General Motors. Все эти начинания находят активное поощрение со стороны многих государств. Так, например, в США действует закон, согласно которому выходящий на рынок новый гибридный автомобиль освобождается от налогов, что может составлять вполне приличную сумму, ведь как правило подобные автомобили дороже своих собратьев с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Таким образом, гибриды как покупка становятся еще привлекательнее. Правда пока этот закон касается лишь выходящих на рынок моделей до достижения уровня продаж в 60000 автомобилей, после чего льгота автоматически отменяется.
Электроника
Не так давно топливные элементы начали находить все более широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах и прочих мобильных электронных устройствах. Поводом тому послужила стремительно возрастающая прожорливость предназначенных для длительной автономной работы девайсов. В результате использования в телефонах больших сенсорных экранов, мощных аудио средств и внедрения поддержки Wi-Fi, Bluetooth и прочих высокочастотных беспроводных протоколов связи, изменились и требования к емкости батарей. И, хотя аккумуляторы со времен первых сотовых телефонов шагнули далеко вперед, с точки зрения емкости и компактности (иначе сегодня болельщиков не пускали бы на стадионы с этим оружием с функцией связи), все равно они не поспевают ни за миниатюризацией электронных схем, ни за желанием производителей встроить в свои продукты все больше функций. Еще одним существенным недостатком нынешних аккумуляторных батарей является их долгий срок зарядки. Все приводит к тому, что чем больше в телефоне или карманном мультимедийном проигрывателе возможностей, призванных повысить автономность его владельца (беспроводной Интернет, навигационные системы и т.д.), тем более зависимым от "розетки" становиться это устройство.
Про ноутбуки, гораздо меньше ограниченных в максимальных размерах, и говорить нечего. Уже достаточно давно сформировалась ниша сверхпроизводительных лэптопов, вообще не предназначенных для автономной работы, если не считать таковой перенос из одного офиса в другой. И даже самые экономичные представители ноутбучного мира с трудом могут обеспечить полный рабочий день автономной работы. Поэтому вопрос поиска альтернативы традиционным аккумуляторным батареям, которая была бы не дороже, но и гораздо эффективнее, стоит очень остро. И решением этой проблемы в последнее время занимаются ведущие представители отрасли. Не так давно были представлены коммерческие топливные элементы на метаноле, массовые поставки которых могут быть начаты уже в следующем году.
Выбор исследователей пал на метанол, а не на водород, по некоторым причинам. Хранить метанол гораздо проще, поскольку для этого не нужно создавать высокое давление или обеспечивать специальный температурный режим. Метиловый спирт является жидкостью при температуре от -97.0°C до 64.7°C. При этом удельная энергия, содержащаяся в N-ом объеме метанола на порядок больше, чем в том же объеме водорода, находящегося под высоким давлением. Технология прямого метанольного топливного элемента, широко используемая в мобильных электронных устройствах, подразумевает применение метилового спирта после простого заполнения емкости топливного элемента минуя процедуру каталитического преобразования (отсюда и название "прямой метанольный"). Это также является серьезным преимуществом этой технологии.
Впрочем, как и стоило ожидать, и на все эти плюсы нашлись свои минусы, которые существенно ограничили сферу ее применения. Ввиду того, что все же эта технология до сих пор не полностью отработана, не решенным остается проблема невысокой эффективности подобных топливных элементов, вызываемой "просачиванием" метанола через материал мембраны. К тому же у них не впечатляющие динамические характеристики. Непросто разрешить и что делать с углекислым газом, вырабатываемым у анода. Современные DMFC-устройства не способны вырабатывать большую энергию, однако имеют высокую энергетическую емкость для небольшого объема вещества. Это означает, что хотя энергии много пока не получить, прямые метанольные топливные элементы могут ее вырабатывать длительное время. Это не позволяет им из-за невысокой мощности находить прямое применение в транспортных средствах, но делает их почти идеальным решением для мобильных устройств, для которых критичным является срок автономной работы.
Последние тенденции
Хотя топливные элементы для транспортных средств выпускают уже давно, до сих пор эти решения так и не стали массовыми. Причин тому немало. И главные из них - это экономическая нецелесообразность и неготовность производителей поставить выпуск приемлемого по цене топлива на поток. Попытки же форсировать естественный процесс перехода на возобновляемые источники энергии, как и можно было ожидать, не привели ни к чему хорошему. Конечно, причина резкого роста цен на сельскохозяйственную продукцию скрыта скорее не в том, что ее массово начали превращать в биотопливо, а в том, что многие страны Африки и Азии не способны производить достаточное количество продуктов даже для удовлетворения внутреннего спроса продуктов.
Очевидно, что отказ от использования биотоплива не приведет к существенному улучшению ситуации на мировом продовольственном рынке, а наоборот - может нанести удар по европейским и американским фермерам, впервые за многие годы получивших возможность неплохо зарабатывать. Но нельзя списывать со счетов и этический аспект этого вопроса некрасиво заправлять "хлеб" в баки, когда миллионы людей голодают. Потому в частности европейские политики теперь будут более прохладно относится к биотехнологиям, что уже подтверждается пересмотром стратегии по переходу на возобновляемых источников энергии.
В этой ситуации наиболее перспективной сферой применения для топливных элементов должна стать микроэлектроника. Именно здесь у топливных элементов наибольшие шансы закрепиться. Во-первых, люди, приобретающие сотовые телефоны, в большей степени готовы к экспериментам, чем, скажем, покупатели автомобилей. А во-вторых, они готовы тратить деньги и как правило не прочь "спасти мир". Подтверждением тому может служить ошеломительный успех красной "Боно"-версии плеера iPod Nano, часть денег от продаж которого поступала на счета Красного креста.
"Боно"-версия плеера Apple iPod Nano
Среди обративших свой взор на топливные элементы для портативной электроники как фирмы, ранее специализировавшиеся на создании топливных элементов и теперь просто открывших новую сферу их применения, так и ведущие производители микроэлектроники. Например, недавно компания MTI Micro, перепрофилировавшая свой бизнес на производство метанольных топливных элементов для мобильных электронных устройств, объявила о том, что в 2009 году начнет их массовое производство. Она же представила и первое в мире GPS-устройство на метаноловых топливных элементах. По мнению представителей этой фирмы, в скором будущем ее продукция полностью заменит традиционные ионно-литиевые батареи. Правда, первое время они будут недешевы, но эта проблема сопутствует любой новой технологии.
Для компании вроде Sony, недавно продемонстрировавшей свой вариант DMFC устройства питающего мультимедийную систему , эти технологии в новинку, однако они всерьез намерены не затеряться на новом перспективном рынке. В свою очередь Sharp пошла еще дальше и с помощью своего прототипа топливного элемента недавно установила мировой рекорд удельной энергетической емкости для одного кубического сантиметра метилового спирта в 0.3 Вт. Компаниям-производителям этих топливных элементов пошли на встречу даже правительства многих стран. Так аэропорты в США, Канады, Великобритании, Японии и Китая не смотря на токсичность и горючесть метанола, отменили ранее действовавшие ограничения на его провоз в салоне самолета. Конечно, это допустимо только для сертифицированных топливных элементов емкостью не более 200 мл. Все же это в очередной раз подтверждает интерес к этим разработкам со стороны не только энтузиастов, но и государств.
Правда производители все же стараются перестраховываться и предлагают топливные элементы в основном в качестве резервной системы питания. Одним из таких решений является комбинация топливного элемента и аккумуляторной батареи: пока топливо есть, оно постоянно заряжает аккумулятор, а посте того, как оно заканчивается, пользователь просто заменяет пустой картридж на новую емкость с метанолом. Еще одним популярным направлением является создание зарядных устройств на топливных элементах. Ими можно пользоваться в пути. При этом они очень быстро могут заряжать аккумуляторы. Другими словами в будущем возможно каждый будет носить такую "розетку" в кармане. Такой подход может быть особенно актуален в случае с мобильными телефонами. В свою очередь ноутбуки вполне могут в обозримом будущем обзавестись встроенными топливными элементами, которые и если не полностью заменят зарядку от "розетки", то хотя бы станут ей серьезной альтернативой.
Так согласно прогнозу крупнейшей химической компании Германии BASF, недавно объявившей о начале строительства в Японии своего центра разработки топливных элементов, к 2010 году рынок этих устройств составит $1 миллиард. При этом ее аналитики предсказывают рост рынка топливных элементов до $20 миллиардов уже к 2020 году. К слову в этом центре BASF планирует разрабатывать топливные элементы для портативной электроники (в частности ноутбуков) и стационарных энергетических систем. Место для этого предприятия выбрано не случайно ¬ главными покупателями этих технологий немецкая компания видит именно местные фирмы.
Вместо заключения
Конечно, ждать от топливных элементов, что они станут заменой существующей системы энергоснабжения, не стоит. Во всяком случае в обозримом будущем. Это палка о двух концах: портативные электростанции конечно эффективнее, ввиду отсутствия потерь, связанных с доставкой электричества к потребителю, но при этом стоит и учесть, что стать серьезным конкурентом централизованной системе энергоснабжения они смогут лишь если будет создана централизованная система поставки топлива для этих установок. То есть "розетку" в конечном итоге должна заменить некая труба, поставляющая нужные реагенты в каждый дом и каждый закуток. А это уже не совсем та свобода и независимость от внешних источников тока, о которых говорят производители топливных элементов.
У этих устройств есть неоспоримое преимущество в виде скорости зарядки - попросту сменил картридж с метанолом (в крайнем случае, откупорил трофейный Jack Daniel"s) в фотоаппарате, и опять вприпрыжку по лестницам Лувра. С другой стороны, если, скажем, обычный телефон будет заряжаться за два часа и будет требовать перезарядки каждые 2-3 дня, то вряд ли альтернатива в виде смены картриджа, продаваемого лишь в специализированных магазинах, даже раз в две недели будет уж так востребована массовым пользователем. И, конечно же, пока эти сокрытые в безопасный герметический контейнер пару сотен миллилитров топлива дойдут до конечного потребителя, его цена успеет основательно подрасти. С этим удорожанием возможно будет бороться лишь масштабом производства,¬ а будет ли этот масштаб востребован на рынке? И пока не выбран оптимальный вид топлива, решить эту проблему будет весьма проблематично.
С другой стороны комбинация традиционной зарядки от "розетки", топливных элементов и иных альтернативных систем энергоснабжения (например, солнечные батареи) может стать тем решением проблемы диверсификации источников питания и перехода на экологические их виды. Впрочем, на определенной группе электронных продуктов топливные элементы могут найти широкое применение. Подтверждением тому служит то, что компания Canon недавно запатентовала собственные топливные элементы для цифровых камер и озвучила стратегию внедрения этих технологий в свои решения. Что до лэптопов, то, если до них в скором будущем и дойдут топливные элементы, то вероятнее всего лишь в качестве системы резервного питания. Сейчас, например, речь идет в основном лишь о внешних модулей зарядки, дополнительно подключаемых к ноутбуку.
Но эти технологии имеют огромные перспективы развития в долгосрочной перспективе. В частности в свете угрозы нефтяного голода, который может наступить в ближайшие несколько десятилетий. В этих условиях важнее, даже не то насколько дешевым будет производство топливных элементов, а насколько производство топлива для них будет независимо от нефтехимической отрасли и сможет ли покрыть потребность в нем.
В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.
На сегодняшний день существует
множество разных типов батареек, среди
которых все сложнее ориентироваться.
Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор
отличается от суперконденсатора и почему
водородный топливный элемент можно
использовать, не опасаясь нанести
вред окружающей среде. В этой статье
мы расскажем о том, как для получения
электроэнергии используются химические
реакции, в чем разница между основными
типами современных химических источников
тока и какие перспективы открываются
перед электрохимической энергетикой.
Химия как источник электричества
Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.
Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.
Схема гальванического элемента
Wikimedia commons
Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким - это может быть и полимерный, и керамический материал.
Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.
Пальчиковые щелочные батарейки
Возможность перезарядки
Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора - источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.
Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор
На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.
Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона
Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые образование взрывоопасных структур, и компоненты, возгорание на ранних стадиях.
Твердый электролит
В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы - в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .
Водородные топливные элементы
Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.
Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.
Наиболее подходящее вещество такого типа - газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.
Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство - совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.
Принципиальная схема работы водородного топливного элемента
Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду - окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.
Водородный топливный элемент Toyota
Joseph Brent / flickr
Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.
Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.
Эффективность топливных элементов
Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.
Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых , например, графеновые мембраны.
В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.
Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.
Альтернативные электрохимические накопители
Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) - устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.
Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов - высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!
Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых .
* * *
Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.
N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?
Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.
Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.
Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов - «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».
Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых - топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.
Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.
Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?
Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.
Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?
Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом
высокотемпературной электрохимии
(ИВТЭ) Уральского отделения Российской
академии наук работают над созданием
высокоэффективных электрохимических
устройств и автономных генераторов
электроэнергии для применений в
распределенной энергетике .
Создание энергоустановок для распределенной
энергетики изначально подразумевает
разработку гибридных систем на основе
генератора электроэнергии и накопителя,
в качестве которых выступают аккумуляторы.
При этом топливный элемент работает
постоянно, обеспечивая нагрузку в
пиковые часы, а в холостом режиме заряжает
аккумулятор, который может сам выступать
резервом как в случае высокого
энергопотребления, так и в случае
внештатных ситуаций.
Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.
В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.
Александр Дубов
