Топливный элемент как альтернатива "альтернативной" энергетики. Топливный элемент Водород воздушный топливный элемент
Ни кого уже не удивишь ни солнечными панелями, ни ветряками, которые во всех регионах мира вырабатывают электроэнергию. Но выработка от этих устройств не постоянна и приходится устанавливать резервные источники питания, либо подключаться к сети для получения электроэнергии в период, когда объекты ВИЭ не вырабатывают электроэнергию. Однако существуют установки, разработанные в 19 веке, которые используют «альтернативное» топливо для получения электроэнергии, т.е не сжигают газ или нефтепродукты. Такими установками являются топливные элементы.
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Топливные элементы (ТЭ) или топливные ячейки были открыты еще в 1838-1839 году Уильямом Гроувом (Гроу, Грове), когда он изучал электролиз воды.
Справка: Электролиз воды - процесс разложения воды под действием электрического тока на молекулы водорода и кислорода
Отключив от электролитической ячейки батарею, он с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событием в энергетике. В дальнейшем он создал аккумулятор Гроува. В этом устройстве был платиновый электрод, погруженный в азотную кислоту, и цинковый электрод в сульфате цинка. Он генерировал ток в 12 ампер и напряжение 8 вольт. Сам Гроу назвал эту конструкцию «мокрой батарейкой» . Затем он создал аккумулятор, используя два платиновых электрода. Один конец каждого электрода находился в серной кислоте, а другие концы запечатаны в контейнеры с водородом и кислородом. Между электродами был стабильный ток, внутри контейнеров увеличивалось количество воды. Гроу смог разложить и улучшить воду в этом устройстве.
«Аккумулятор Гроу»
(источник: Королевское сообщество Национального музея естественной истории)
Термин «топливный элемент» (англ. «Fuel Cell») появился лишь в 1889 году Л. Мондом и
Ч. Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
Топливный элемент — относительно простое устройство . В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. ТЭ оснащены еще одним элементом — мембраной. Превращение химической энергии топлива непосредственно в электричество, происходит благодаря работе именно мембраны. Она отделяет две камеры элемента, в которые подают топливо и окислитель. Мембрана позволяет проходить из одной камеры в другую только протонам, которые получаются в результате расщепления топлива, на электроде, покрытом катализатором (электроны при этом пробегают по внешней цепи). Во второй камере протоны воссоединяются с электронами (и атомами кислорода), образуя воду.
Принцип работы водородного топливного элемента
На химическом уровне процесс превращения энергии топлива в электрическую энергию схож с обычным процессом горения (окисления).
При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Посмотрим что происходи при окислении водорода кислородом в среде электролита и при наличии электродов.
Подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде протекает химическая реакция:
2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -
Как видно получим электроны, которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция:
4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -
Видно, что результирующая реакция 2H 2 + O 2 → H 2 O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе получается электрический ток и частично тепло .
ВИДЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Классифицировать ТЭ принято по виду электролита использующемся для протекания реакции:
Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.
КПД ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
Особенностью топливных элементов является отсутствие жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин.
Справка: КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами.
Поэтому КПД топливных элементов в теории может быть выше 100%. Многие улыбнулись и подумали «Вечный двигатель изобрели значит». Нет, тут стоит вернуться к школьному курсу химии. В основе топливного элемента лежит преобразование химической энергии в электрическую. Вот тут и возникают чудеса. Определённые химической реакции в процессе протекания могут поглощать теплоту из окружающей среды.
Справка: Эндотермические реакции — химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты. Для эндотермических реакций изменение энтальпии и внутренней энергии имеют положительные значения (Δ H>0, Δ U>0), таким образом, продукты реакции содержат больше энергии, чем исходные компоненты.
Примером такой реакции может служить окисление водорода, которая и используется в большинстве топливных элементов. Поэтому теоретически КПД может больше 100%. Но сегодня топливные элементы в процессе работы нагреваются и не могут поглощать теплоту из окружающей среды.
Справка: Это ограничение накладывает второй закон термодинамики. Не возможен процесс передачи тепла от «холодного» тела к «горячему».
Плюс ко всему имеются потери, связанные с неравновесными процессами. Такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Поэтому топливные элементы не вечные двигатели и КПД их меньше 100%. Но их КПД больше, чем у остальных машин. Сегодня эффективность топливного элемента достигает 80% .
Справка: В сороковые годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими (источник: http://www.powerinfo.ru/).
ПРОБЛЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Практически все топливные элементы в качестве топлива используют водород, так что возникает логичный вопрос: «Где его взять?»
Кажется, открыли топливный элемент в результате электролиза, вот и можно использовать водород выделившейся в результате электролиза. Но давайте разберем этот процесс подробнее.
Согласно закону Фарадея: количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Значит, чтобы получить больше водорода необходимо потратить больше электроэнергии. Существующие методы электролиза воды проходят с кпд меньше единицы. Затем полученный водород мы используем в ТЭ, где кпд также меньше единицы. Следовательно мы затратим энергии больше, чем сможем выработать.
Конечно, можно использовать водород, получаемый из природного газа. Этот способ получения водорода остается самым дешевым и популярным. В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Но возникает проблема с хранением и транспортировкой водорода. Водород имеет маленькую плотность (один литр водорода весит 0,0846 гр ), поэтому чтобы транспортировать его на дальние расстояния его необходимо сжимать. А это дополнительные энергетические и денежные затраты. Так же не стоит забывать о безопасности.
Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H 2 и CO 2 . Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.
Катализатор
Для повышения протекания реакции в ТЭ поверхность анода обычно катализатором. До не давнего времени в качестве катализатора использовалась платина. Поэтому стоимость топливного элемента была высока. Во-вторых, платина относительно редкий металл. По мнению специалистов, при промышленном производстве топливных элементов разведанные запасы платины закончатся через 15-20 лет. Но ученые всего мира пытаются заменить платину на другие материалы. Кстати некоторые из них достигли неплохих результатов. Так китайские ученые заменили платину на окисел кальция (источник: www.cheburek.net).
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Впервые топливный элемент в автотехники испытали в 1959 г. Трактор Элис-Чемберз, использовал для работы 1008 аккумуляторов. Топливом являлась смесь газов, в основном пропана и кислорода.
Источник: http://www.planetseed.com/
С середины 60-ых в разгар «космической гонки» топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытаны в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл". В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе (источник: http://www.powerinfo.ru/).
Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Поэтому свою популярность ТЭ стали приобретать на фоне всеобщей заинтересованности в экологии.
Уже в настоящее время производители автомобилей, такие как «Honda», «Ford», «Nissan» и «Mercedes-Benz» создали автомобили работающие на водородных топливных элементах.
Mercedes-Benz - Ener-G-Force, работающий на водороде
При использовании автомобилей на водороде, решается проблема с хранением водорода. Строительство заправок с водородом позволит получить возможность заправки в любом месте. Тем более заправлять автомобиль водородом быстрее, чем заряжать электромобиль на заправке. Но при реализации подобных проектов столкнулись с проблемой как у электромобилей. Люди готовы «пересесть» на автомобиль на водороде, если будет инфраструктура для них. А строительство заправок начнется, если будет достаточное количество потребителей. Поэтому опять пришли к дилемме яйца и курицы.
Широкое применение топливные элементы нашли в мобильных телефонах и ноутбуках. Уже прошло то время когда телефон заряжали раз в неделю. Сейчас телефон заряжается, чуть ли не каждый день, а ноутбук без сети работает 3-4 часа. Поэтому производители мобильной техники решили синтезировать топливный элемент с телефонами и ноутбуками для зарядки и работы. Например, компания «Toshiba» в 2003г. продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Опять же, та же «Toshiba» демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.
Но некоторые производители пошли дальше. Компания «PowerTrekk» выпустила зарядное устройство с одноименным названием. PowerTrekk - первое зарядное водяное устройство в мире. Использовать его очень легко. В PowerTrekk необходимо добавить воды, чтобы обеспечить мгновенную подачу электричества через шнур USB. Данный топливный элемент содержит кремниевый порошок и силицид натрия (NaSi) при смешивании с водой, данное сочетание генерирует водород. Водород смешивается с воздухом в самом топливном элементе, и он преобразует водород в электричество посредством его мембранно-протонного обмена, без вентиляторов или насосов. Купить такое портативное зарядное устройство можно за 149 € (
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.
Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки - 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.
Топливные элементы Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент «вмонтирован» в каждую живую клетку (см. гл.2).
Источником водорода в организме служит пища – жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном счете раскладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).
Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.
Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект – электролизер вырабатывал электрический ток.
Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет – появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
C + O2 = CO2 + тепло
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Горение – обмен электронов между атомами, а электрический ток – направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.
Основа любого ХИТ – два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. гл. 2). На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2–). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.
В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:
газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается «всеядным».
Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо «готовить». Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.
Два направления развития ТЭ
Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.
Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.
Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.
Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.
Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.
После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.
В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).
С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.
После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.
Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.
Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют «Янус». Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.
В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.
Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии – топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами*.
* Газгольдер [газ + англ. holder держатель] – хранилище для больших количеств газа.
Первое поколение ТЭ
Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде*. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).
* Технический водород – продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода.
Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.
Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% – это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния – от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.
Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.
Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций – 30 лет.
Второе и третье поколение ТЭ
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:
снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.
Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.
В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.
Виктор ЛАВРУС.
Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобноТопливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.
Особенности
Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.
Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.
История появления
В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета - электричество, воду и тепло.
Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века - в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.
Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.
Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.
Принцип работы
Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.
Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.
Диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Типы
Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.
Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.
Общие понятия
Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.
Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов - катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.
Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.
Преимущества водородных топливных ячеек
Среди них следует выделить:
- Повышенная удельная теплоемкость.
- Широкий температурный диапазон эксплуатации.
- Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
- Надежность при холодном запуске.
- Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
- Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
- Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
- Длительный срок эксплуатации.
- Бесшумность и экологичность работы.
- Высокий уровень энергоемкости.
- Толерантность к сторонним примесям в водороде.
Область применения
Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:
- Портативные зарядные устройства.
- Энергоснабжающие системы для БПЛА.
- Источники бесперебойного питания.
- Прочие устройства и оборудование.
Перспективы водородной энергетики
Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка - высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.
Как собрать топливный элемент на водороде?
Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.
Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.
В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.
Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.
Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.
Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.
Предприниматель Данила Шапошников говорит, что взялся вывести продукт на рынок из лаборатории. Стартап AT Energy делает водородные топливные элементы, на которых беспилотники смогут летать в разы дольше, чем сейчас.
Предприниматель Данила Шапошников помогает ученым Юрию Добровольскому и Сергею Нефедкину коммерциализировать их изобретение — компактные водородные топливные элементы, которые могут работать несколько часов, не боясь мороза и влаги. Созданная ими компания AT Energy уже привлекла около 100 млн руб. инвестиций и готовится к покорению мирового рынка беспилотных летательных аппаратов объемом $7 млрд, на котором пока преимущественно используют литиево-ионные аккумуляторы.
Из лаборатории на рынок
Начало бизнесу положило знакомство Шапошникова с двумя докторами наук в области энергетики и электрохимии — Добровольским из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке и Нефедкиным, возглавляющим Центр водородной энергетики в Московском энергетическом институте. У профессоров была идея, как делать низкотемпературные топливные элементы, но они не понимали, как вывести свое изобретение на рынок. «Я выступил предпринимателем-инвестором, который рискнул вывести продукт в рынок из лаборатории», — вспоминает Шапошников в интервью РБК.
В августе 2012 года Шапошников, Добровольский и Нефедкин зарегистрировали компанию AT Energy (ООО «Эй Ти Энерджи») и стали готовить опытные образцы. Компания подала заявку и стала резидентом Сколково. Весь 2013 год на арендованной базе института в Черноголовке основатели AT Energy работали над тем, чтобы радикально увеличить срок работы аккумуляторов на основе топливных элементов. «Черноголовка — наукоград, там достаточно легко найти и привлечь к работе лаборантов, инженеров и электрохимиков», — говорит Шапошников. Потом AT Energy переехала в черноголовский технопарк. Там и появился первый продукт — топливный элемент для беспилотников.
«Сердцем» топливного элемента, разработанного в AT Energy, является мембранно-электродный блок, в котором происходит электрохимическая реакция: с одной стороны подается воздух с кислородом, с другой — сжатый газообразный водород, в результате химической реакции окисления водорода вырабатывается энергия.
Под реальный продукт AT Energy смогла получить два гранта Сколково (в сумме почти 47 млн руб.), а также привлечь около $1 млн инвестиций. В проект поверили фонд North Energy Ventures (получил 13,8% AT Energy, его партнером является сам Шапошников), венчурный фонд Phystech Ventures (13,8%), основанный выпускниками Московского физико-технического института, и девелопер «Мортон» (10%); напрямую Шапошникову и Добровольскому сейчас принадлежит по 26,7% AT Energy, а Нефедкину — 9% (все — по данным ЕГРЮЛ).
AT Energy в цифрах
Около 100 млн руб. — общая сумма привлеченных инвестиций
3-30 кг — масса беспилотников, для которых AT Energy делает энергосистемы
$7 млрд в год — объем мирового рынка беспилотников в 2015 году
$90 млн — объем российского рынка военных беспилотников в 2014 году
$5 млн — объем российского гражданского рынка беспилотников в 2014 году
$2,6 млрд — объем мирового рынка топливных элементов в 2014 году
Источник: данные компании, Business Insider, Markets & Markets
Летает дольше, еще дольше
На сегодняшний день почти 80% беспилотников в мире используют электрические двигатели, которые питаются от литиево-ионных или литиево-полимерных аккумуляторов. «Самая большая проблема с батарейками — в том, что в ней есть ограничения энергоемкости по габаритам. Хочешь в два раза больше энергии — ставь еще один аккумулятор, и еще один, и т.д. А в беспилотниках самый важный параметр — это его масса», — объясняет Шапошников.
От массы беспилотника зависит его полезная нагрузка — количество устройств, которые можно на него повесить (например, камеры, тепловизоры, сканирующие устройства и пр.), а также время полета. На сегодняшний день дроны летают в основном от получаса до полутора часов. «Полчаса это неинтересно, — говорит Шапошников. — Получается, только ты его поднял в воздух, как уже пора менять аккумулятор». Кроме того, литиево-ионные батареи капризно себя ведут при отрицательных температурах. Шапошников утверждает, что разработанные в AT Energy топливные элементы позволяют дронам летать до пяти раз дольше: от двух с половиной до четырех часов, а мороза не боятся (до минус 20 градусов).
Расходные материалы и комплектующие для своих аккумуляторов AT Energy закупает как в России, так и за рубежом. «Для научных разработок подразумеваются небольшие серии, так что мы пока не можем дать потенциальным российским производителям необходимых нам компонентов горизонт планирования, чтобы они могли локализовать их производство», — объясняет Шапошников.
В 2014 году AT Energy выполнила первые контракты: поставила 20 аккумуляторных систем на основе своих топливных элементов военным (заказчика Шапошников не называет). Ими также были оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», которая использовала их при видеосъемке Олимпиады в Сочи. «Одна из целей компании была протестировать наши системы на беспилотниках, и нам было все равно, заплатят нам за это или нет», — вспоминает Шапошников. На сегодняшний день у AT Energy подписан ряд контрактов и предконтрактов, потенциальная выручка по которым, по словам Шапошникова, составляет 100 млн руб. (в основном с госструктурами).
Финансовые результаты деятельности AT Energy Шапошников не раскрывает. По данным «Контур.Фокус», в 2014 году компания имела выручку в 12,4 млн руб. и чистый убыток в 1,2 млн руб. Стоимость топливных элементов мощностью до 0,5 кВт производства AT Energy, по словам Шапошникова, колеблется в интервале $10-25 тыс., в зависимости от типа беспилотника, стоящих перед ним задач, длительности полета и других параметров.
Девальвация рубля, по словам Шапошникова, облегчит компании выход на мировой рынок. «Мы ставим себе цель в 2016 году завязать отношения с западными игроками, а в 2017 году сделать первые продукты для основных типов зарубежных беспилотников», — говорит он.
ИНВЕСТОР
«AT Energy удалось создать топливный элемент с уникальными характеристиками»
Олег Перцовский, директор по операционной работе кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково»
«Они смогли сделать устройство, которое работает при отрицательных температурах, при этом достаточно компактное и недорогое. Для наукоемких проектов четыре года — это короткий промежуток времени, поэтому они движутся нормальными темпами, на наш взгляд. Беспилотники — это одна из очевидных и наиболее перспективных сфер для применения топливных элементов. Заменив источник питания, беспилотник сможет при тех же массово-габаритных характеристиках в несколько раз увеличить время полета. Еще есть рынок автономного энергоснабжения, например для сотовых сетей, где есть большая потребность в источниках питания небольшой мощности в отдаленных районах, куда не подведены электрические сети».
«Создание конкурентного продукта и выход на этот рынок имеют значительные инвестиционные риски»
Сергей Филимонов, руководитель корпоративного венчурного фонда GS Venture (в составе GS Group)
«Рынок топливных элементов с высокой емкостью значительно шире и сложнее сферы беспилотных летательных аппаратов. Но топливным элементам предстоит конкурировать с рядом существующих источников энергии, как с точки зрения эффективности, так и стоимости. Создание конкурентного продукта и выход на этот рынок имеют значительные инвестиционные риски. Для GS Venture направления БПЛА и топливных элементов достаточно интересны, но фонд не готов инвестировать в стартап только потому, что эта компания работает в развивающейся сфере и нацелена на активно растущий рынок.
КЛИЕНТЫ
«Это лучшая технология на рынке, но слишком дорогая»
Олег Панфиленок, основатель и генеральный директор компании Copter Express
«У AT Energy очень сильная технология. Связка «топливный элемент плюс баллон с водородом» позволяет добиться уверенной энергоемкости, существенно более высокой, чем в литиево-полимерных или литиево-ионных батареях. Мы уже спроектировали дрон для картографирования, около 1 метра в диаметре, чтобы облетать большую территорию, — если на него поставить водородно-топливные элементы, он будет летать до четырех часов. Это было бы удобно и эффективно, не пришлось бы по несколько раз сажать аппарат для подзарядки.
На сегодняшний момент это точно лучшая технология на рынке, но есть одна проблема: для нас это слишком дорого. Один элемент питания от AT Energy может стоить порядка 500 тыс. руб. — на порядок выше, чем литиево-полимерный аккумулятор. Да, это в полтора раза дешевле иностранных аналогов, но нам надо в десять. Мы не военные, у которых есть бюджеты, мы коммерческая компания и не готовы платить большие деньги. Это для военных характеристики беспилотника важнее, чем его стоимость, а для коммерции наоборот — лучше пусть он будет хуже, но дешевле».
«Время полета дрона для многих задач является самым важным фактором»
Максим Шинкевич, гендиректор группы компаний «Беспилотные системы»
«Мы очень хорошо знакомы с компанией AT Energy и подписали с ними соглашение о сотрудничестве. Мы недавно закончили разработку нового мультикоптера увеличенного размера с полезной нагрузкой до 2 кг, который будет оснащен топливными элементами от AT Energy и будет летать на них от 2,5 до 4 часов. На литиевых аккумуляторах такой дрон летал бы всего 30 минут. Этот беспилотник может использоваться как в гражданских, так и в военных целях — это комплекс видеонаблюдения для поиска и спасания людей, мы уже готовы запускать его в серию. У нас уже есть на него первый гражданский заказчик, как только мы покажем его в действии, появятся и другие контракты.
Одна из главных проблем в массовом использовании топливных элементов — отсутствие сети станций для их зарядки. Они дороже аккумуляторов (в результате стоимость дрона с их использованием увеличивается на 15%), но взамен вы приобретаете увеличение продолжительности полета более чем в два раза. Время полета дрона для многих задач является самым важным фактором».
Наталья Суворова