В течение двух ближайших лет на рынке мобильных компьютеров и портативных электронных устройств ожидается появление большого количества серийно выпускаемых моделей, оснащенных источниками питания на базе химических топливных элементов.
Экскурс в историю
ервые эксперименты по созданию топливных элементов были проведены еще в XIX столетии. В 1839 году английский физик Гроув при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего источника тока между электродами возникает постоянный ток. Однако открытия в этой области, сделанные рядом выдающихся ученых XIX века, не нашли практического применения, став достоянием лишь академической науки.
К созданию топливных элементов для прикладного использования ученые вернулись лишь в начале 50-х годов XX века. В этот период возможности практического применения химических реакторов для получения электроэнергии начали активно изучать коллективы исследователей в США, Японии, СССР и ряде западноевропейских стран.
Первой областью практического применения топливных элементов стала космонавтика. Топливные элементы различных конструкций использовались на американских космических кораблях Gemini, Apollo и Shuttle, а также на созданном в СССР многоразовом космическом челноке «Буран».
Следующая волна интереса к химическим топливным элементам была вызвана энергетическим кризисом 70-х годов. В тот период многие компании занялись исследованиями в области использования альтернативных источников энергии для транспорта, а также для бытового и промышленного применения. Кстати, именно на этом поприще начинала свою деятельность ныне известная компания АРС.
В настоящее время можно выделить четыре основные сферы применения энергоустановок на базе топливных элементов: энергоустановки для различных транспортных средств (от скутеров до автобусов), стационарные решения крупного и мелкого масштаба, а также источники питания для мобильных устройств. В этой статье мы рассмотрим главным образом решения для портативных устройств.
Что такое топливные элементы
режде всего необходимо уточнить, о чем пойдет речь. Топливные элементы представляют собой специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию.
Следует отметить, что топливные элементы имеют по крайней мере два принципиальных отличия от гальванических батарей, также относящихся к устройствам, преобразующим энергию протекающих в них химический реакций в электричество. Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально (как это происходит в случае обычных батареек).
Применение нерасходуемых электродов позволяет значительно увеличить срок службы топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Кроме того, благодаря использованию внешней системы подачи топлива значительно упрощается и удешевляется процедура восстановления работоспособности топливных элементов.
Типы химических топливных элементовТопливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM)Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini. Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция: 2H 2 -> 4H + + 4e . Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды: O 2 + 4H + + 4e -> 2H 2 O . Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор обычно тонкий слой платины на каждом из электродов. Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею. PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт. Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород. Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC)Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. В качестве топлива применяется чистый водород, а качестве окислителя чистый кислород. Реакция окисления водорода протекает через электроокисление водорода на аноде: 2H 2 + 4OH – 4e -> 4H 2 O и электровосстановление кислорода на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e -> 4OH – . Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны по внешней цепи от анода к катоду. Щелочные элементы работают при температуре около 80 °С, однако значительно (примерно на порядок) уступают PEM-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных элементов значительно ниже, чем PEM. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи. Фосфорнокислые топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)В качестве электролита в фосфорнокислых элементах используется жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Для изготовления электродов применяется графит. Происходящие в фосфорнокислых элемента реакции электроокисления водорода аналогичны тем, которые протекают в PEM-элементах. Рабочая температура фосфорнокислых элементов несколько выше по сравнению с PEM- и щелочными и колеблется в пределах от 150 до 200 °С. Тем не менее для обеспечения необходимой скорости электрохимических реакций необходимо использовать катализаторы (платину либо сплавы на ее основе). Благодаря более высокой рабочей температуре фосфорнокислые элементы менее чувствительны к химической чистоте топлива (водорода), чем PEM- и щелочные элементы. Это позволяет применять топливную смесь, содержащую 1-2% оксида углерода. В качестве окислителя можно использовать обычный воздух, поскольку содержащиеся в нем вещества не вступают в реакцию с электролитом. Фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (порядка 40%) и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Однако PAFC имеют и целый ряд преимуществ, в том числе более простую конструкцию, а также высокую стабильность и низкую летучесть электролита. В настоящее время на базе фосфорнокислых элементов создано и запущено в коммерческую эксплуатацию большое количество энергоустановок мощностью от 200 кВт до 20 МВт. Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)Элементы с прямым окислением метанола являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. Топливом для DMFC-элементов служит водный раствор метилового спирта (метанола). Необходимый для реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления раствора метанола на аноде: CH 3 OH + H 2 O -> CO 2 + 6H + + 6e. На катоде происходит реакция окисления водорода с образованием воды: 3/2O 2 + 6H + + 6e -> 3H 2 O . Рабочая температуры DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, что немного выше по сравнению с водородными PEM-элементами. Недостатком низкотемпературного преобразования является более высокая потребность в катализаторах. Это неизбежно приводит увеличению стоимости таких топливных элементов, однако данный недостаток компенсируется удобством использования жидкого топлива и отсутствием необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода. Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (Li 2 CO 3) либо карбоната натрия (Na 2 CO 3), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода литированный оксид никеля (NiO + LiO 2). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом: CO 3 2– + H 2 -> H 2 O + CO 2 + 2e. Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e -> CO 3 2– . Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода: CH 4 + H 2 O <-> CO + 3H 2 . MCFC-элементы обладают высоким КПД (до 60%) и позволяют использовать в качестве катализатора не платину, а более дешевый и доступный никель. Вследствие большого количества выделяемого при работе тепла данный вид топливных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако малопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В настоящее время на базе MCFC-элементов уже созданы стационарные энергоустановки мощностью до 2 МВт. Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный MCFC. В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO 2), стабилизированного оксидом иттрия (Y 2 O 3). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода: O 2 + 4e -> 2O 2– . Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа: H 2 + 2O 2– -> H 2 O + 2e; CO + 2O 2– -> CO 2 + 2e. Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и MCFC, включая возможность использования в качестве топлива природного газа. Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC. |
||
Работа химических топливных элементов поддерживается путем подачи двух применяемых для поддержания реакции компонентов топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород, а некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом.
Конструкция любого химического топливного элемента состоит из двух электродов (катода и анода) и находящегося между ними слоя электролита среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах часто используют катализаторы. В зависимости от химических и физических особенностей применяемого электролита топливные элементы подразделяются на несколько различных типов (подробнее см. во врезке «Типы химических топливных элементов»).
Преимущества топливных элементов
о сравнению с широко распространенными в настоящее время источниками автономного электропитания, используемыми в мобильных ПК и портативных устройствах, химические топливные элементы имеют ряд важных преимуществ.
В первую очередь стоит отметить высокий коэффициент полезного действия топливных элементов, составляющий, в зависимости от типа, от 40 до 60%. Высокий кпд позволяет изготавливать источники питания с более высокой удельной энергоемкостью, благодаря чему достигается уменьшение их массогабаритных показателей при сохранении мощности и времени автономной работы. Кроме того, более энергоемкие источники питания позволяют значительно продлить время автономной работы существующих устройств, не увеличивая их размеры и вес.
Другим важным достоинством химических топливных элементов является возможность практически мгновенного возобновления их энергоресурса даже при отсутствии внешних источников электропитания для этого достаточно установить новую емкость (картридж) с используемым топливом. Применение не расходуемых в процессе реакции электродов позволяет создавать топливные элементы с очень большим сроком службы и малой совокупной стоимостью владения.
Нельзя не отметить и значительно более высокую экологическую чистоту химических топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Расходным материалом для топливных элементов служат лишь емкости с топливом, а основным продуктом реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.
Платиновая проблема
есмотря на очевидные преимущества химических топливных элементов перед многими ныне распространенными источниками электропитания портативных ПК и электронных устройств, на пути массового внедрения новой технологии имеются определенные препятствия.
Наиболее подходящими для применения в портативных устройствах относительно небольшого размера являются топливные элементы с низкой рабочей температурой такие как PEM и DMCF. Однако для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в таких элементах необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах применяются катализаторы из платины и ее сплавов. Учитывая относительно небольшие природные запасы этого вещества, а также его высокую стоимость, одной из главных задач разработчиков источников питания на базе топливных элементов является поиск и создание новых катализаторов. Другим возможным решением проблемы является использование высокотемпературных топливных элементов, однако по целому ряду причин в настоящее время подобные источники питания практически непригодны для эксплуатации в портативных устройствах.
Движение вперед: прототипы
есмотря на наличие ряда проблем, в течение двух последних лет активность коллективов разработчиков, занимающихся созданием топливных элементов для портативных ПК и электронных устройств, заметно возросла. Кроме того, увеличилось и количество компаний, ведущих подобные работы.
Если говорить об используемых технологиях, то наиболее популярными решения в рассматриваемом сегменте являются топливные элементы PEM и DMFC. Из компаний, занимающихся разработкой топливных элементов для мобильных устройств, около 45% сделали ставку на технологию PEM, примерно 40% на DMFC и менее 10% на SOFC. Удобство и простота использования жидкого топлива является значительным преимуществом DMFC перед PEM, и в прошедшем году стало очевидно, что большинство стоящих на пороге коммерциализации проектов базируется именно на технологии DMFC.
Прототип КПК с интегрированным топливным элементом, созданный разработчиками Hitachi
В начале прошлого года компания Hitachi продемонстрировала прототип КПК с интегрированным топливным элементом и заявила о своем намерении начать продажи пробной партии подобных устройств в 2005 году. Для перезаправки топливного элемента используется картридж цилиндрической формы (диаметром 1 см и высотой 5 см), содержащий 20-процентный водный раствор метанола. По словам разработчиков, содержащегося в картридже топлива достаточно для того, чтобы обеспечить активную работу с КПК в течение 6-8 часов.
В июне минувшего года компания Toshiba представила прототип компактного DMFC-элемента, предназначенного для использования в качестве источника питания цифровых медиаплееров и мобильных телефонов. Габариты этого блока 22Ѕ56Ѕ4,5 мм, вес 8,5 г. В качестве топлива в нем применяется концентрированный метанол (99,5%). Одной заправки топлива (2 см3) достаточно для обеспечения питанием нагрузки мощностью 100 мВт (например, портативного МР3-плеера) в течение 20 часов. При разработке данного прототипа было применено несколько новых решений, в частности была оптимизирована структура электродов и полимерной мембраны, позволяющая использовать в качестве топлива концентрированный метанол.
Известно, что один из производителей мобильных телефонов компания KDDI внимательно присматривается к разработкам Toshiba и Hitachi в области малогабаритных топливных элементов. KDDI планирует выпустить на рынок мобильные телефоны с питанием от топливных элементов в течение ближайших двух лет.
Некоторые компании уже продемонстрировали прототипы решений для портативных ПК. В частности, Casio представила прототип ноутбука, оснащенный источником питания, который содержит PEM-элемент и конвертор метанола. В начале минувшего года компания Samsung представила прототип ноутбука на мобильной платформе Centrino, оснащенный топливным элементом, обеспечивающим работу устройства в течение 10 часов.
В ноябре 2004 года сотрудники токийского института исследований в области материалов и энергетики (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) обнародовали информацию о работах по созданию топливного элемента собственной конструкции, который будет более дешевым и компактным по сравнению с DMFC. В качестве топлива в нем будет использоваться борогидрид натрия. По мнению разработчиков, благодаря этому время работы топливного элемента увеличится в четыре раза по сравнению с заправленным таким же объемом метанола DMFC-элементом.
Представленный сотрудниками MERIT прототип топливного элемента выполнен в корпусе размером 80Ѕ84,6Ѕ3 мм и способен работать с нагрузкой мощностью до 20 Вт. Для питания более мощных устройств можно использовать батареи, состоящие из нескольких элементов. Согласно существующим планам развертывание серийного производства подобных элементов намечено на начало 2006 года.
Лед тронулся…
Середине декабря компания Intermec Technologies начала продажи портативного прибора для считывания информации с радиочастотных индентификаторов первого серийно выпускаемого устройства, оснащенного малогабаритным DMFC-элементом. Используемый в устройстве топливный элемент Mobion разработан компанией MTI MicroFuel Cells, которая планирует наладить выпуск подобных источников питания для КПК, смартфонов и других портативных устройств. Как отмечают разработчики MTI MicroFuel Cells, элемент Mobion позволяет в несколько раз увеличить время работы устройств без подзарядки по сравнению с литий-ионными аккумуляторами такого же размера.
По мнению многих экспертов, в наступившем году следует ожидать появления целого ряда серийно выпускаемых портативных устройств, оснащенных топливными элементами. И от того, насколько успешным окажется их дебют, во многом будет зависеть будущее рынка источников питания портативных устройств.
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.
См. также
БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ .
Принцип действия.
Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.
В изображенном на рис. 1 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора.
При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с образованием воды и электрона:
На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O2H-). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента. Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен - приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме. Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Типы топливных элементов.
Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения.
Элементы на водородном топливе.
В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами. Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.
Элементы на углеводородном и угольном топливах. Топливные элементы, которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом интенсивного исследования. Однако пока не достигнуто заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре. Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в пористую керамическую матрицу. Топливо "расщепляется" внутри элемента с образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание токообразующей реакции в элементе. Элементы, работающие на других видах топлива. В принципе реакции в топливных элементах не обязательно должны быть реакциями окисления обычных топлив. В перспективе могут быть найдены и другие химические реакции, которые позволят осуществить эффективное непосредственное получение электричества. В некоторых устройствах электроэнергия получается при окислении, например, цинка, натрия или магния, из которых изготавливаются расходуемые электроды.
Коэффициент полезного действия. Превращение энергии обычных топлив (угля, нефти, природного газа) в электричество было до сих пор многоступенчатым процессом. Сжигание топлива, позволяющее получить пар или газ, необходимые для работы турбины или двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор, - процесс не очень эффективный. Действительно, коэффициент использования энергии такого превращения ограничен по второму закону термодинамики, и его вряд ли можно существенно поднять выше существующего уровня (см. также ТЕПЛОТА ; ТЕРМОДИНАМИКА). Коэффициент использования энергии топлива самых современных паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40-45%.
Применения. Топливные элементы могут в недалеком будущем стать широко используемым источником энергии на транспорте, в промышленности и домашнем хозяйстве. Высокая стоимость топливных элементов ограничивала их применение военными и космическими приложениями. Предполагаемые применения топливных элементов включают их применение в качестве переносных источников энергии для армейских нужд и компактных альтернативных источников энергии для околоземных спутников с солнечными батареями при прохождении ими протяженных теневых участков орбиты. Небольшие размеры и масса топливных элементов позволили использовать их при пилотируемых полетах к Луне. Топливные элементы на борту трехместных кораблей "Аполлон" применялись для питания бортовых компьютеров и систем радиосвязи. Топливные элементы можно использовать в качестве источников питания оборудования в удаленных районах, для внедорожных транспортных средств, например в строительстве. В сочетании с электродвигателем постоянного тока топливный элемент будет эффективным источником движущей силы автомобиля. Для широкого применения топливных элементов необходимы значительный технологический прогресс, снижение их стоимости и возможность эффективного использования дешевого топлива. При выполнении этих условий топливные элементы сделают электрическую и механическую энергию широко доступными во всем мире.
См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ .
ЛИТЕРАТУРА
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М., 1981 Кромптон Т. Источники тока. М., 1985, 1986
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое "ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ" в других словарях:
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ для непосредственного превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию. Соответственно сконструированные электроды погружаются в ЭЛЕКТРОЛИТ, и топливо (например, водород) подается к одному … Научно-технический энциклопедический словарь
Гальванический элемент, в котором окислительно восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, напр. водорода, и окислителя, напр. кислорода) из специальных резервуаров. Важнейшая составная часть… … Большой Энциклопедический словарь
топливный элемент - Первичный элемент, в котором электрическая энергия вырабатывается за счет электрохимических реакций между активными веществами, непрерывно поступающими к электродам извне. [ГОСТ 15596 82] EN fuel cell cell that can change chemical energy from… … Справочник технического переводчика
Прямой метанольный топливный элемент Топливный элемент электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него … Википедия
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.
Водородный топливный элемент компании Nissan
С каждым годом совершенствуется мобильная электроника, становясь все распространенее и доступнее: КПК, ноутбуки, мобильные и цифровые аппараты, фоторамки и пр. Все они все время пополняются новыми функциями, большими мониторами, беспроводной связью, более сильными процессорами, при этом, уменьшаясь в размерах. Технологии питания, в отличие от полупроводниковой техники, семимильными шагами не идут.
Имеющихся батарей и аккумуляторов для питания достижений индустрии становится недостаточно, поэтому вопрос альтернативных источников стоит очень остро. Топливные элементы на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением. Принцип их работы открт был еще в 1839 году Уильямом Гроуом, который электричество генерировал изменив электролиз воды.
Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее
Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.
Топливный элемент, часто называемый электрохимическим генератором, работает нижеописанным образом.
Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.
Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.
Топливный элемент своими руками
Видео: Топливный водородный элементсвоими руками
К сожалению у нас нет фотографий, как должен выглядить этот топливный элекмнт, надеямся на вашу фантазию.
Маломощный топливный элемент своими руками можно изготовить даже в условиях школьной лаборатории. Необходимо запастись старым противогазом, несколькими кусками оргстекла, щелочью и водным раствором этилового спирта (проще, водкой), которое будет служить для топливного элемента «горючим».
Прежде всего, необходим корпус для топливного элемента, изготовить который лучше из оргстекла, толщиной не менее пяти миллиметров. Внутренние перегородки (внутри пять отсеков) можно сделать немного тоньше – 3 см. Для склеивания оргстекла используют клей такого состава: в ста граммах хлороформа или дихлорэтана растворяют шесть грамм стружки из оргстекла (проводят работу под вытяжкой).
В наружной стенке теперь необходимо просверлить отверстие, в которое вставить нужно через резиновую пробку сливную стеклянную трубочку диаметром 5-6 сантиметров.
Все знают, что в таблице Менделеева в левом нижнем углу стоят наиболее активные металлы, а металлоиды высокой активности находятся в таблице в верхнем правом углу, т.е. способность отдавать электроны, усиливается сверху вниз и справа налево. Элементы, способные при определенных условиях проявлять себя как металлы или металлоиды, находятся в центре таблицы.
Теперь во второе и четвертое отделение насыпаем из противогаза активированный уголь (между первой перегородкой и второй, а также третьей и четвертой), который выполнять будет роль электродов. Чтобы через отверстия уголь не высыпался его можно поместить в капроновую ткань (подойдут женские капроновые чулки). В
Топливо циркулировать будет в первой камере, в пятой должен быть поставщик кислорода – воздух. Между электродами будет находиться электролит, а для того, чтобы он не смог просочиться в воздушную камеру, нужно перед засыпкой в четвертую камеру угля для воздушного электролита, пропитать его раствором парафина в бензине (соотношение 2 грамма парафина на пол стакана бензина). На слой угля положить нужно (слегка вдавив) медные пластинки, к которым припаяны провода. Через них ток отводиться будет от электродов.
Осталось только зарядить элемент. Для этого и нужна водка, которую разбавить с водой нужно в 1:1. Затем осторожно добавить триста-триста пятьдесят граммов едкого калия. Для электролита в 200 граммах воды растворяют 70 граммов едкого калия.
Топливный элемент готов к испытанию. Теперь нужно одновременно налить в первую камеру – топливо, а в третью – электролит. Присоединенный к электродам вольтметр должен показать от 07 вольт до 0,9. Чтобы обеспечить непрерывную работу элементу, нужно отводить отработавшее топливо (сливать в стакан) и подливать новое (через резиновую трубку). Скорость подачи регулируется сжиманием трубки. Так выглядит в лабораторных условиях работа топливного элемента, мощность которого, понятна мала.
Видео: Топливный элемент или вечная батарейка дома
Чтобы мощность была большей, ученые давно занимаются этой проблемой. На активной стали разработки находятся метанольный и этанольный топливные элементы. Но, к сожалению, пока на практику их выхода нет.
Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания
Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.
Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», « Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и превращению в электричество выделяющейся энергии. Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.
Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе
Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов , которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.
Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы
Топливный элемент - что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!
Что такое топливный элемент?
Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.
История топливных элементов
История топливных элементов - это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.
Всё началось в 1839 году , когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название "топливный элемент" было подарено изобретению в год его юбилея - в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер - авторы термина.
Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».
Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК "Энергия"разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа "Буран" также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.
Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.
Принцип работы топливных элементов
Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.
Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) - на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:
2H 2 → 4H + + 4e -
где H 2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + - ионизированный водород (протон); е - - электрон.
С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка):
В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.
Характеристики топливных элементов
они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),
химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),
они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).
Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:
Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В . Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.
У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80% ,
КПД почти не зависит от коэффициента загрузки ,
Ёмкость в несколько раз выше , чем в существующих аккумуляторах,
Полное отсутствие экологически вредных выбросов . Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).
Виды топливных элементов
Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:
по используемому топливу,
по рабочему давлению и температуре,
по характеру применения.
В целом, выделяют следующие типы топливных элементов :
Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells - SOFC);
Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);
Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);
Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell - DMFC);
Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);
Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);
Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells - AFC).
Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.
Проблемы топливных элементов
Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия "упакованного" водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично - курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H 2 S (сероводород), которые отравляют катализатор.
Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.
Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.
Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение
Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:
Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.
Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона - до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.
Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол - достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.
За топливными элементами - будущее!
Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.