Водородные топливные элементы: от полетов «Аполлона» до автомобилей.

Сэр Уильям Грове знал много об электролизе, поэтому он выдвинул гипотезу, что путем процесса (который расщепляет воду на составляющие водород и кислород путем проведения электричества через нее) он может производить , если провести его в обратном порядке. После расчётов на бумаге, он подошел к экспериментальной стадии и сумел доказать свои идеи. Доказанную гипотезу развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, усовершенствовали технологию и еще в 1889 году дали ей название в которые входили два слова- "топливный элемент".

Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход автомобилистов. Вы безусловно слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору все чаще мелькают новомодные слова. Обычно они относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или программах развития этих гибридных автомобилей.

Например, еще 11 лет назад в США была запущена программа "The Hydrogen Fuel Initiative". Программа была направлена ​​на разработку водородных топливных элементов и технологий инфраструктуры, необходимых для того, чтобы сделать транспортные средства использующие топливные элементы практичными и экономически продуманными, рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на программу было выделено более 1 млрд. долларов, что говорит о серьезной ставке, которую сделали власти Штатов на .

По другую сторону океана производители автомобилей также не дремали, начинали или продолжали проводить свои изыскания на тему машин с топливными элементами. , и даже продолжал работать над созданием надежной технологии топливных элементов.

Наибольшего успеха на данном поприще среди всех мировых автопроизводителей добились две японских автопроизводителя, и . Их модели на топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время их конкуренты следует прямо за ними.

Поэтому, топливные элементы в автомобильной индустрии- это надолго. Рассмотрим принципы работы технологии и ее применение в современных автомобилях.

Принцип работы топливного элемента

В сущности, . С технической точки зрения определить топливный элемент можно как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, постоянный ток.

Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, другие проходят исследовательские тесты. В большинстве из них используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования.

Аналогичная процедура происходит в обычной батарее, отличие только в том, что уже имеет все необходимые химические вещества, требуемые для преобразования "на борту", в то время как топливный элемент может быть "заряжаться" от внешнего источника, благодаря чему процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом процедуры является выделяемое тепло.

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

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

wikipedia.org

Применение в автомобилях

Из всех типов топливных элементов, по- видимому наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах стали топливные элементы на основе протонообменных мембран или как их называют на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что у него не потребуется много времени для того чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе используется также одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.

Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда Mercedes-Benz представил MB100 созданный на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт), самый большой недостаток этой концепции заключалась в том, что топливный элемент занимал весь объем грузового отсека фургона.

Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была ужасная идея для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту массивного резервуара, заполненного легковоспламеняющимся водородом под давлением.

В течение следующего десятилетия технология развивалась и одна из последних концепций, созданных на топливных элементах от Мерседес имел выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не забывайте про двух японцев, Toyota и . Одним из крупнейших автомобильных игроков стала Honda, который представил серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла в Японию.

Еще дальше пошла Toyota с моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по- видимому способна предоставить футуристичному автомобилю диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправляемого менее чем за пять минут, так же как обычный . Показатели расхода топлива поразят любого скептика, они невероятны даже для автомобиля с классической силовой установкой расходует 3.5 литра независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе, на шоссе или в смешанном цикле.

Прошло восемь лет. Honda потратила это время с пользой для своего дела. Второе поколение Honda FCX Clarity сейчас появляется в продаже. Ее батареи топливных элементов стали на 33% более компактными, чем у первой модели, удельная мощность увеличилась на 60%. Honda уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам сравним с двигателем V6, что оставляет достаточно внутреннего пространства для пяти пассажиров и их багажа.

Предполагаемый диапазон составляет 500 км, а стартовая цена новинки должна закрепиться на уровне в $60,0000. Дорого? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000 автомобили с подобными технологиями стоили $100.000.

Топливные элементы представляют собой способ электрохимического превращения энергии водородного топлива в электричество, и единственным побочным продуктом этого процесса является вода.

Водородное топливо, используемое сейчас в топливных элементах, обычно получается из парового риформинга метана (то есть превращения углеводородов с помощью пара и тепла в метан), хотя подход может быть и более «зеленым», например электролиз воды с использованием солнечной энергии.

Основными компонентами топливного элемента являются:

• анод, в котором происходит окисление водорода;
• катод, где идет восстановление кислорода;
• полимерная электролитная мембрана, через которую осуществляется транспорт протонов или гидроксид-ионов (в зависимости от среды), - она не пропускает водород и кислород;
• поля течения кислорода и водорода, которые ответственны за доставку этих газов к электроду.

Для того чтобы питать энергией, к примеру, автомобиль, несколько топливных элементов собираются в батарею, и количество энергии, поставляемое этой батареей, зависит от общей площади электродов и количества элементов в ней. Энергия в топливном элементе генерируется следующим образом: водород окисляется на аноде, и электроны от него направляются к катоду, где восстанавливается кислород. Электроны, полученные от окисления водорода на аноде, имеют более высокий химический потенциал, чем электроны, которые восстанавливают кислород на катоде. Эта разница между химическими потенциалами электронов позволяет извлекать энергию из топливных элементов.

История создания

История топливных элементов отсылает нас к 30-м годам XIX века, когда первый водородный топливный элемент был сконструирован Уильямом Р. Гроувом. Этот элемент использовал серную кислоту в качестве электролита. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность. Он заметил, что под действием электронного тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн, химик из Университета Базеля (Швейцария), в 1839 году одновременно продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита. Эти первые попытки хотя и были по сути своей достаточно примитивными, но привлекли внимание нескольких их современников, включая Майкла Фарадея.

Исследования в области топливных элементов продолжались, и в 1930-х годах Ф.Т. Бейкон внес новый компонент в щелочной топливный элемент (один из видов топливных элементов) - ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов.

Одним из самых знаменитых исторических примеров применения щелочных топливных элементов является их использование в качестве главного источника энергии во время космических полетов в программе «Аполлон».

Выбор НАСА пал на них из-за их долговечности и технической устойчивости. В них использовалась гидроксидпроводящая мембрана, превосходящая по эффективности свою протонообменную сестру.

В течение почти двух веков с момента создания первого прототипа топливного элемента было проделано много работы по их усовершенствованию. В целом конечная энергия, получаемая от топливного элемента, находится в зависимости от кинетики окислительно-восстановительной реакции, внутреннего сопротивления элемента и переноса масс реагирующих газов и ионов на каталитически активные компоненты. За многие годы было сделано много улучшений изначальной идеи, таких как:

1) замена платиновых проводов на электроды на основе углерода с наночастицами платины; 2) изобретение мембран высокой проводимости и селективности, таких как Nafion, для облегчения ионного транспорта; 3) совмещение каталитического слоя, например наночастиц платины, распределенных по углеродной основе, с ионообменными мембранами, в результате чего получился мембранно-электродный блок с минимальным внутренним сопротивлением; 4) использование и оптимизация полей течения для доставки водорода и кислорода на каталитическую поверхность, вместо того чтобы напрямую разбавлять их в растворе.

Эти и другие улучшения в конечном итоге позволили получить технологию, достаточно эффективную, чтобы ее можно было использовать в автомобилях, таких как Toyota Mirai.

Топливные элементы с гидроксидобменными мембранами

В Университете Делавэра проводятся исследования по разработке топливных элементов с гидроксидобменными мембранами - HEMFCs (hydroxide exchange membrane fuel cells). Топливные элементы с гидроксидобменными мембранами вместо протонообменных - PEMFCs (proton exchange membrane fuel cells) - меньше сталкиваются с одной из больших проблем PEMFCs - проблемой стабильности катализатора, поскольку намного большее количество катализаторов на основе неблагородных металлов стабильно в щелочной среде, чем в кислой. Стабильность катализаторов в щелочных растворах выше благодаря тому, что растворение металлов выделяет больше энергии при низком pH, нежели при высоком. Большая часть работы в этой лаборатории также посвящена разработке новых анодных и катодных катализаторов реакций окисления водорода и восстановления кислорода для еще более эффективного их ускорения. В дополнение к этому лабораторией разрабатываются новые гидроксидобменные мембраны, так как проводимость и долговечность таких мембран еще предстоит улучшить, для того чтобы они могли составить конкуренцию протонообменным.

Поиск новых катализаторов

Причина потерь от перенапряжения в реакции восстановления кислорода объясняется отношениями линейного масштаба между промежуточными продуктами этой реакции. В традиционном четырехэлектронном механизме этой реакции кислород последовательно восстанавливается, создавая промежуточные продукты - OOH*, O* и OH*, чтобы в конечном итоге образовать воду (H2O) на каталитической поверхности. Поскольку энергии адсорбции промежуточных продуктов у отдельного катализатора сильно коррелируют друг с другом, пока еще не найдено ни одного катализатора, который хотя бы в теории не имел бы потерь от перенапряжения. Несмотря на то, что скорость этой реакции низка, замена кислотной среды на щелочную, как, например, в HEMFC, на нее не особенно влияет. Однако скорость реакции окисления водорода уменьшается почти в два раза, и этот факт мотивирует исследования, направленные на нахождение причины этого уменьшения и на обнаружение новых катализаторов.

Преимущества топливных элементов

В противовес углеводородному топливу топливные элементы более, если не совершенно, безопасны для окружающей среды и не производят парниковых газов в результате своей деятельности. Более того, их топливо (водород) в принципе является возобновляемым, поскольку его можно получить путем гидролиза воды. Таким образом, водородные топливные элементы в будущем обещают стать полноправной частью процесса производства энергии, в котором энергия солнца и ветра используется для производства водородного топлива, которое затем используется в топливном элементе для производства воды. Таким образом, цикл замыкается, и не оставляется никакого углеродного следа.

В отличие от перезаряжаемых батарей, топливные элементы имеют то преимущество, что их не надо перезаряжать - они могут сразу начать поставлять энергию, как только она понадобится. То есть если их применять, например, в области средств передвижения, то со стороны потребителя перемен почти не будет. В отличие же от солнечной энергии и энергии ветра топливные элементы могут производить энергию постоянно и куда меньше зависят от внешних условий. В свою очередь, геотермальная энергия доступна только в определенных географических областях, в то время как топливные элементы опять же не имеют такой проблемы.

Водородные топливные элементы - одни из наиболее многообещающих альтернативных источников энергии благодаря своей портативности и гибкости в плане масштаба.

Сложность хранения водорода

Помимо проблем с недостатками нынешних мембран и катализаторов, другие технические трудности для топливных элементов связаны с хранением и транспортом водородного топлива. Водород обладает очень низкой удельной энергией на единицу объема (количеством энергии, которая содержится в единице объема при данной температуре и давлении), и потому он должен храниться под очень высоким давлением, чтобы его можно было использовать в средствах передвижения. В противном случае размер контейнера для хранения необходимого количества топлива будет невозможно большим. Из-за этих ограничений хранения водорода предпринимались попытки найти способы получения водорода из чего-то кроме газообразной его формы, как, к примеру, в металлогидридных топливных элементах. Тем не менее нынешние потребительские применения топливных элементов, такие как Toyota Mirai, используют сверхкритический водород (водород, находящийся в условиях температуры выше 33 К и давления выше 13,3 атмосфер, то есть выше критических значений), и сейчас это наиболее удобный вариант.

Перспективы области

Из-за существующих технических трудностей и проблем получения водорода из воды при помощи солнечной энергии в ближайшем будущем исследования, скорее всего, будут нацелены в основном на поиск альтернативных источников водорода. Одна популярная идея состоит в том, чтобы использовать аммиак (нитрид водорода) напрямую в топливном элементе вместо водорода или чтобы получать водород из аммиака. Причина этого - меньшая требовательность аммиака по части давления, что делает его более удобным для хранения и перемещения. Помимо того, аммиак привлекателен как источник водорода потому, что в нем нет углерода. Благодаря этому решается проблема отравления катализатора из-за некоторого количества СО в водороде, произведенном из метана.

В будущем топливные элементы могут найти широкое применение в области технологий средств передвижения и распределенного производства энергии, например, в жилых районах. Несмотря на то, что в данный момент использование топливных элементов в качестве главного источника энергии требует больших денежных средств, в случае обнаружения более дешевых и эффективных катализаторов, стабильных мембран с высокой проводимостью и альтернативных источников водорода водородные топливные элементы могут приобрести высокую экономическую привлекательность.

Водородные топливные ячейки – энергия будущего[ 2012-02-14 ]

Новые источники энергии для электротранспорта.

С приходом эпохи промышленной революции, человечество стало испытывать недостаток в мощных источниках энергии. Получение энергии с помощью работы пара, - первая массовая технология превращения тепловой энергии в механическую,- процесс довольно несовершенный. В качестве топлива для паровых котлов использовались невозобновляемые ресурсы - уголь и мазут. И хотя до середины 20 века, это ещё не рассматривалось как серьёзный недостаток, малый КПД таких систем, который даже вошёл в поговорку («КПД - как у паровоза») и смог от дыма в промышленных районах, вынуждал ученых и инженеров искать новые пути получения энергии. Тут и пришли на помощь чистые и мощные источники - водородные топливные ячейки, к созданию которых учёные подбирались целых полтора века.

История водородной энергетики.

В 1839 году английский исследователь Уильям Грове прославился благодаря созданию постоянного гальванического элемента (элемент Грове), но в истории он запомнился не только этим изобретением. Во время экспериментов с электролитической ячейкой, исследуя процесс электролиза, ученый открыл процесс электрохимического холодного горения водорода. Это явление стало знаменательным событием в энергетике и сыграло большую роль в развитии электрохимии, а впоследствии привело к созданию первых топливных элементов.

В 1889 году изобретателями Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером был предложен термин «топливный элемент». Они пытались создать устройство для выработки энергии из угольного газа и воздуха, используя реакции окисления органического топлива.

Множество исследователей по всему миру продолжали исследования в этой сфере, например, ученый Спиридонов изобрёл водородно-кислородный элемент с плотностью тока 30 мА на 1см2 рабочей поверхности.

В 20-х годах 20 века германские исследователи открыли способ использования твердооксидных топливных элементов и карбонатного цикла, которым пользуются и в наше время. В 40-е годы 20 века, О.Давтян создал установку, работающую на основе электрохимического сжигания генераторного газа. Из 1 кубометра газа, машина вырабатывала 5 кВт часов электроэнергии. Это был первый топливный элемент на твёрдом электролите с достаточно высоким КПД.

Английский исследователь Томас Бэкон доработал конструкцию топливных элементов того времени: заменил дорогую платину, используемую в качестве катализатора, на никель, а едкую серную кислоту - на щелочной электролит, тем самым уменьшив стоимость и увеличив время работы подобных устройств. В 1959 он сконструировал батарею топливных элементов с КПД 80% и общей мощностью 6кВт, однако её размеры были слишком велики для практического применения.

С середины 60-х годов прошлого века, топливные элементы привлекли внимание создателей космических аппаратов, что позволило выйти на новый уровень развития электрохимии. Американская компания General Electric доработала устройство Бэкона и создала электрогенерирующие системы для космических программ Apollo и Gemini. Плюсами использования топливных ячеек были малые размеры и способность обеспечивать экипаж не только энергией, но и водой, однако проблемы с долговечностью, стабильностью и безопасностью так и оставались нерешёнными, а вырабатываемая сила тока была сравнительно небольшой (от 100 до 200 мА/см2 рабочей поверхности ячейки), поэтому дальнейшего развития программа не получила.

В 90-х годах интерес к подобным источникам энергии опять возобновился. Это связано с глобальными экологическими проблемами, а также с исчерпанием углеводородных ресурсов, - основного источника энергии по сегодняшний день. Ведь в топливных элементах конечным продуктом горения является вода, что делает их наиболее чистыми и безопасными для природы и человека.

Принцип работы топливных ячеек.

В наше время в топливных ячейках используется два типа электролита: кислота или щелочь. От типа зависят и химические реакции, которые проходят в самом элементе.

Топливные элементы со щелочным электролитом работают по принципу, описанному реакциями на рисунке. Водород, поступающий через анод, в присутствии катализатора реагирует с ионами гидроксила (OH-), образуя воду и электрон. На катоде кислород вступает в реакцию с электронами внешней цепи и водой, образуя ионы гидроксила и пергидроксила. Результирующая реакция, проходящая на катоде, позволяет сохранять баланс вещества и заряда в электролите.

В современных топливных элементах с кислым электролитом, водород подаётся через полый анод, поступая через мелкие поры в материале электрода, и попадает в электролит. В процессе хемосорбции происходит разложение молекул водорода на атомы, превращающиеся в ионы с положительным зарядом, отдавая по одному электрону. Кислород подаётся на катод и также поступает в электролит, вступая в реакцию с водородом при участии катализатора. При соединении кислорода с водородом и электронами внешней цепи образуется вода.

Процессы, которые происходят в топливных элементах, по своей природе являются обратными процессу электролиза. Во время реакций часть энергии превращается в тепло, а поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, использующийся для совершения работы. Большинство реакций обеспечивают ЭДС около 1В.

Метаноловый топливный элемент.

В наше время ведутся разработки топливных элементов, в которых углеводородное топливо может использоваться в качестве источника водорода. Это так называемые метаноловые топливные элементы. В их конструкции появляется новый элемент - топливный преобразователь, что увеличивает их размер, однако решается проблема с топливом: метиловый спирт производится для химической промышленности в больших количествах, его транспортировка и хранение не составляют никаких проблем, а процесс зарядки источника сильно упрощается. Единственный минус такого источника - его меньшая эффективность. Существует возможность использования этилового спирта в качестве топлива для подобных источников. Это решило бы проблему с токсичностью метанола, однако эффективность работы этиловых топливных элементом еще меньше.

Топливные элементы современности.

За время разработок, были построены несколько типов топливных элементов, различающихся типом электролитов и видом топлива. Это элементы на щелочном электролите, фосфорно-кислотные топливные элементы, элементы на расплавленных карбонатах и твердооксидные топливные ячейки. Кроме стандартных водород-кислородных и метанольных источников тока могут существовать элементы, работающие на совершенно других видах топлива. Например, электроэнергию можно получать при окислении цинка, натрия и магния, изготавливая расходуемые электроды.

В наше время с этим видом источников энергии существует еще множество проблем, среди которых: снижение эффективности вследствие оммических потерь, диффузионных и поляризационных потерь, саморазогрев системы вследствие неэффективной работы теплоотвода, большие размеры подобных устройств.

/div>

Однако плюсов у водородных топливных ячеек гораздо больше, чем минусов. Чего стоит только абсолютная экологичность и достаточно высокий КПД. В отличие от современных паротурбинных установок, коэффициент полезного действия которых не превышает 40%, в существующих топливных элементах почти 70% энергии непосредственно превращается в электричество.

Водородные топливные элементы могут использоваться как в большой энергетике, так и в качестве замены стандартных источников энергии в автомобилях и бытовой технике.

В 1991 году в Калифорнии была введена в эксплуатацию электростанция, использующая технический водород в качестве топлива. В Японии такие станции работают еще с 1983 года. А по всей территории США располагаются теплофикационные установки с мощностью 40 кВт и КПД до 80%. Экологическая чистота станций на топливных батареях позволяет размещать их непосредственно в городах.

Топливные элементы на твёрдых оксидах обладают повышенной температурой работы и мощностью до 5 МВт. В качестве топлива могут использоваться продукты газификации твёрдого угля. Такими устройствами занимаются фирмы Vestingaus, Engelgird и International Fuel Cells, у каждой из которых имеются собственные разработки в области тепловых элементов.

В 1993 году был построен первый автобус, использующий энергию топливного элемента, с тех пор модели электробусов постоянно совершенствуются. В 1997 году были представлены прототипы легковых автомобилей с топливными источниками питания. Некоторые производители выпускают гибридные автомобили, в которых бензиновому двигателю помогает мотор на топливных элементах. Автомобиль PAC-Car II ,разработанный группой швейцарских ученых, считается самым быстрым и экономичным в мире и работает на водородном топливе. Чтобы объехать вокруг земного шара ему понадобится всего лишь 8 литров топлива.

Популярны топливные элементы и в области компьютерной и мобильной техники. Мобильная электроника нуждается в мощных, компактных и недорогих источниках питания, поэтому множество фирм ведёт свои разработки в этой области.

В 2004 году компания «Тошиба» продемонстрировала прототип метанолового топливного элемента с мощностью 100 мВт. 2 кубика метанола позволяют получать питание для 5 часов работы ноутбука и 20 часов работы плеера. Компания «Фуджитсу» представила свой топливный элемент, выдающий мощность 15 Вт и работающий 10 часов от 300 мл 30% раствора метанола. Источник фирмы Casio обеспечивает ноутбук энергией 20 часов.

Перспективы водородной энергетики.

Как только будет найден эффективный способ получения водорода, топливные элементы смогут использоваться повсеместно, и заменят уже привычные источники, работающие на углеводородном топливе. Для введения технологии в активное использование необходимы совершенно новые идеи. Очень большие надежды возлагают на нанотехнологии и концепцию биотопливных элементов. Недавно несколько компаний заявили о создании эффективных катализаторов из различных металлов, к тому же появились сведения о создании топливных элементов без мембран, что позволит значительно удешевить конструкции новейших топливных ячеек.

К сожалению, преимущества водородных топливных устройств пока не могут перевесить их главный недостаток - более высокую стоимость, по сравнению с устройствами, сжигающими углеводороды для получения энергии, - например двигателями внутреннего сгорания. Расходы на создание водородной энергоустановки составляют от 500 до нескольких тысяч долларов за 1 кВт. Остаётся только надеяться на новые изобретения, удешевляющие их изготовление и тогда человечество будет обеспечено мощным, компактным, а главное экологически чистым источником энергии.

ТМ « Volta bikes».

* Перепечатка без ссылки на сайт www.сайт запрещена и преследуется по Закону о защите авторских прав.

Топливный элемент – это электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Рис. 1. Некоторые топливные элементы

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

Рис. 2.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту 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 топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.

Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.

Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.

Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие - для портативных устройств или для привода автомобилей.

1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду.

Рис. 3.

Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, теплоту:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O

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 используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 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 работают на чистом водороде и кислороде.

2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Рис. 4.

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 (CO32-). Эти 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 – теплота.

Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. Преимущество - возможность применять стандартные материалы (листовую нержавеющую сталь и никелевый катализатор на электродах). Побочную теплоту можно использовать для получения пара высокого давления. Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует большого времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 60-х годов ХХ, испытания проводились с 70-х годов ХХ века. В итоге были увеличены стабильность и рабочие показатели и снижена стоимость.

Рис. 5.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, поэтому эти топливные элементы используются при температурах до 150-220 °C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

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, побочную теплоту можно быть использовать 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. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки мощностью 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Разработаны и показаны установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

Рис. 6.

Электролитом в этих топливных элементах является твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции: Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eРеакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHОбщая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые, делающие эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другое преимущество в том, что электролитом является твердое, а не жидкое вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с помощью твердого электролита, поэтому такие топливные элементы более дешевы при производстве. При применении твердого электролита нет таких трудностей, как ориентация, и меньше проблем из-за появления коррозии, что повышает долговечность элемента и его компонентов.

Рис. 7.

5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 50-х годов ХХ века и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). 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 побочная теплота.

Рис. 8.

Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД производства электрической энергии - самый высокий из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C-1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Топливные элементы с прямым окислением метанола успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено будущее применение таких элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Из-за низких рабочих температур и отсутствия необходимости использовать преобразователь такие топливные элементы являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Их достоинство также - небольшие габариты.

7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему изза медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-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.

Рис. 9.

9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов

Характеристики топливных элементов

Тип топлив­ного эле­мента	Рабочая темпера­тура	Эффектив­ность выра­ботки электро­энергии	Тип топлива	Область при­менения
				Средние и большие установки
			Чистый водород	установки
			Чистый водород	Малые уста­новки
			Большинство видов углеводо­родного топлива	Малые, сред­ние и боль­шие уста­новки
				Переносные установки
			Чистый водород	Космические исследова­
			Чистый водород	Малые уста­новки

Рис. 10.

10. Использование топливных элементов в автомобилях

Рис. 11.

Рис. 12.

Описание:

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

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

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

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

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

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

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

- отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

- надежность при холодном пуске,

- практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

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

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

- высокая энергоемкость,

- толерантность к примесям в водороде,

- длительный срок службы,

- экологичность и бесшумность работы.

Системы энергоснабжения на основе водородных топливных элементов для БПЛА:

Установка топливных элементов на беспилотные аппараты вместо традиционных аккумуляторов кратно увеличивает продолжительность полета, вес полезной нагрузки, позволяет повысить надежность летательного аппарата, расширить температурный диапазон запуска и работы БПЛА, снизив границу до -40 0С. По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, системы на основе топливных элементов бесшумны, не дают вибраций, работают на низких температурах, сложно детектируются во время полета, не продуцируют вредных выбросов и позволяют эффективно выполнять задачи от видеонаблюдения до доставки полезных грузов.

Состав системы энергоснабжения для БПЛА:

• - батарея топливных элементов,
• - буферный аккумулятор Li-Po для покрытия краткосрочных пиковых нагрузок,
• - электронная система управления ,
• - топливная система в составе баллона с компримированным водородом или твердого источника водорода.

В топливной системе применяются высокопрочные легкие баллоны и редукторы для обеспечения максимального запаса сжатого водорода на борту. Допускается использование различных типоразмеров баллонов (от 0.5 до 25 литров) с редукторами, обеспечивающими необходимый расход водорода.

Характеристики системы энергоснабжения для БПЛА:

Портативные зарядные устройства на основе водородных топливных элементов:

Портативные зарядные устройства на основе водородных топливных элементов — это компактные устройства, по своей массе и габаритам сопоставимые с существующими и активно применяемыми в мире аккумуляторными зарядными устройствами.

Повсеместно применяемая портативная техника в современной мире регулярно нуждается в подзарядке. Традиционные портативные системы практически бесполезны при отрицательных температурах, а после выполнения своей функции также требуют перезарядки с применением традиционных источников (электрических сетей), что также снижает их эффективность и автономность устройства.

Системы на базе водородных топливных элементов требуют лишь замены компактного топливного картриджа, после чего устройство немедленно готово к работе.

Характеристики портативных зарядных устройств:

Источники бесперебойного питания на основе водородных топливных элементов:

Системы гарантированного электропитания на водородных топливных элементах предназначены для организации резервного электропитания и временного электропитания. Системы гарантированного электропитания на на водородных топливных элементах предполагают значительные преимущества по сравнению с традиционными решениями по организации временного и резервного энергообеспечения, с применением аккумуляторных батарей и дизель-генераторов.

Характеристики системы бесперебойного питания:

Показатели	Значения показателей
Максимальная мощность