В последнее время тема топливных элементов у всех на устах. И это не удивительно, с приходом этой технологии в мир электроники она обрела новое рождение. Мировые лидеры в области микроэлектроники наперегонки представляют прототипы своих будущих продуктов, в которых будут интегрированы собственные мини электростанции. Это должно с одной стороны ослабить привязку мобильных устройств к "розетке", а с другой стороны продлить срок их автономной работы.
Кроме того часть из них работает на основе этанола, так что развитие данных технологий есть прямая польза производителям спиртных напитков – через какой десяток лет в виноводочный будут выстраиваться очереди из "айтишников", стоящих за очередной "дозой" для своего ноутбука.
Мы не можем остаться в стороне от "лихорадки" топливных элементов, охватившей Hi-Tech индустрию, и попробуем разобраться что за зверь эта технология, с чем ее едяти когда стоит ожидать ее прихода в "общепит". В этом материале мы рассмотрим путь, пройденный топливными элементами с момента открытия этой технологии до сегодняшнего дня. А также попытаемся дать оценку перспективности их внедрения и развития в будущем.
Как это было
Впервые принцип устройства топливного элемента описал еще в 1838 году Кристиан Шёнбайн (Christian Friedrich Schonbein), а уже спустя год "Философский журнал" опубликовал его статью, посвященную этой теме. Однако это были лишь теоретические изыскания. Первый же действующий топливный элемент увидел свет в 1843 году в лаборатории ученого валийского происхождения сэра Уильяма Грова (William Robert Grove). При его создании изобретатель использовал материалы сходные с теми, что применяются в современных батареях на фосфорной кислоте. Впоследствии топливный элемент сэра Грова был усовершенствован Томасом Груббом (W. Thomas Grub). В 1955 году этот химик, работавший на легендарную компанию General Electric, использовал в качестве электролита в топливном элементе ионообменную мембрану из сульфированного полистирола. Спустя лишь три года его коллега по работе Леонард Нидрах (Leonard Niedrach) предложил технологию укладки на мембрану платины, выступавшей в роли катализатора в процессе окисления водорода и поглощения кислорода.
"Отец" топливных элементов Кристиан Шёнбайн
Эти принципы легли в основу нового поколения топливных элементов, называемых в честь их создателей элементы "Грубб-Нидрах". Компания General Electric продолжила разработки в этом направлении, в рамках которых при содействии NASA и авиационного гиганта McDonnell Aircraft был создан первый коммерческий топливный элемент. На новую технологию обратили внимание за океаном. И уже в 1959 году британец Фрэнсис Бейкон (Francis Thomas Bacon) представил стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. Его патентованные разработки были в последствии лицензированы американцами и использовались в космических кораблях NASA в системах питания и снабжения питьевой водой. В том же году американец Гарри Ириг (Harry Ihrig) построил первый трактор на топливных элементах (общая мощность 15 кВт). В качестве электролита в батареях использовался гидроксид калия, а в роли реагентов применялись сжатый водород и кислород.
Впервые "на поток" выпуск стационарных топливных элементов для коммерческих целей поставила компания UTC Power, предлагавшая системы резервного электроснабжения для больниц, университетов и бизнес-центров. Эта компания, являющаяся мировым лидеров в этой области, до сих пор выпускает подобные решения мощностью до 200 кВт. Она же является главным поставщиком топливных элементов для NASA. Ее продукция широко использовалась в ходе космической программы Apollo и до сих пор востребована в рамках программы Space Shuttle. UTC Power также предлагает и топливные элементы "широкого потребления", находящие широкое применение в транспортных средствах. Ею впервые был создан топливный элемент, позволяющий получать ток при отрицательных температурах благодаря использованию протонообменной мембраны.
Как это работает
Исследователи экспериментировали с различными веществами в качестве реагентов. Однако основные принципы работы топливных элементов, несмотря на существенно отличающиеся эксплуатационные характеристики, остаются неизменными. Любой топливный элемент представляет собой устройство электрохимического преобразования энергии. Оно вырабатывает электричество из некого количества топлива (со стороны анода) и окислителя (со стороны катода). Реакция протекает в присутствии электролита (вещество содержащее свободные ионы и ведущее себя как электропроводящая среда). В принципе в любом таком устройстве есть некие реагенты поступающие в него и продукты их реакции, выводимые после осуществления электрохимической реакции. Электролит в данном случае служит лишь средой для взаимодействия реагентов и не меняется в топливном элементе. Исходя из такой схемы идеальный топливный элемент должен работать так долго, пока есть подача необходимых для реакции веществ.
Здесь нельзя путать топливные элементы с обычными батарейками. В первом случае для производства электричества потребляется некое "топливо", которое в последствии нужно заправлять вновь. В случае же с гальваническими элементами электричество хранится в замкнутой химической системе. В случае с аккумуляторами подача тока позволяет осуществить обратную электрохимическую реакцию и вернуть реагенты в исходное состояние (т.е. зарядить его). Возможны различные комбинации топлива и окислителя. Например, в водородном топливном элементе в качестве реагентов используется водород и кислород (окислитель). Нередко в качестве топлива используются гидрокарбонаты и спирты, а в роли оксидантов выступают воздух, хлор и двуокись хлора.
Реакция катализа, проходящая в топливном элементе, выбивает электроны и протоны из топлива, а движущиеся электроны образуют электрический ток. В роли катализатора, ускоряющего реакцию, в топливных элементах как правило используются платина или ее сплавы. Другой каталитический процесс возвращает электроны, объединяя их с протонами и окислителем, в результате чего образуются продукты реакции (выбросы). Как правило эти выбросы представляют собой простые вещества: воду и углекислый газ.
В традиционном топливном элементе с протонообменной мембраной (PEMFC) полимерная протонопроводящая мембрана разделяет стороны анода и катода. Со стороны катода водород диффундирует на анодный катализатор, где из него в последствии выделяются электроны и протоны. Протоны затем проходят через мембрану к катоду, а электроны, неспособные следовать за протонами (мембрана электрически изолирована), направляются по цепи внешней нагрузки (система энергоснабжения). На стороне катодного катализатора кислород вступает в реакцию с протонами, прошедшими через мембрану, и электронами, поступающими по цепи внешней нагрузки. В результате этой реакции получается вода (в виде пара или жидкости). Например, продуктами реакций в топливных элементах, использующих углеводородное топливо (метанол, дизельное топливо), являются вода и двуокись углерода.
Топливные элементы практически всех типов страдают от электрических потерь, вызванных как естественным сопротивлением контактов и элементов топливного элемента, так и электрическим перенапряжением (дополнительная энергия, необходимая для осуществления исходной реакции). В ряде случаев полностью избежать этих потерь не возможно и иногда "овчинка не стоит выделки", однако чаще всего их можно свести к допустимому минимуму. Вариантом решения этой проблемы является использование комплектов из этих устройств, в которых топливные элементы, в зависимости от предъявляемых к системе электроснабжения требований, могут подключаться параллельно (больший ток) или последовательно (большее напряжение).
Виды топливных элементов
Видов топливных элементов великое множество, однако мы постараемся вкратце остановиться на наиболее распространенных из них.
Щелочные топливные элементы (AFC)
Алкалайновые или щелочные топливные элементы, называемые также как элементы Бэкона в честь их британского "отца", являются одной из наиболее хорошо разработанной технологией топливных элементов. Именно эти устройства помогли человеку ступить на Луну. Вообще NASA использует топливные элементы этого типа уже с середины 60-ых годов прошлого века. AFC потребляют водород и чистый кислород, производя питьевую воду, тепло и электричество. Во многом благодаря тому, что эта технология прекрасно отработана, у нее один из наивысших показателей эффективности среди подобных систем (потенциал около 70%).
Однако у этой технологии есть и свои недостатки. Из-за специфики использования в качестве электролита жидкого щелочного вещества, которое не блокирует углекислый газ, возможно вступление в реакцию гидроксида калия (один из вариантов используемого электролита) с этим составляющим обычного воздуха. В результате может получиться ядовитое соединение карбонад калия. Во избежание этого необходимо использовать либо чистый кислород, либо производить очистку воздуха от углекислого газа. Естественно, это сказывается на стоимости подобных устройств. Однако не смотря даже на это, AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами, доступными сегодня.
Прямой борогидридный топливные элементы (DBFC)
Этот подтип щелочных топливных элементов использует в качестве топлива борогидрид натрия. Однако в отличие от обычных AFC на водороде, у этой технологии есть одно существенное преимущество - отсутствие риска получения ядовитых соединений после контакта с углекислым газом. Однако продуктом его реакции является вещество бура, широко используемое в моющих средствах и мыле. Бура относительно не токсична.
DBFC можно сделать даже дешевле традиционных топливных элементов, поскольку они не требуют дорогих платиновых катализаторов. К тому же они обладают большей энергетической плотностью. Подсчитано, что производства килограмма борогидрида натрия обходится в $50, но если организовать его массовое производство и наладить переработку буры, то эту планку можно снизить в 50 раз.
Топливные элементы на металлических гидридах (MHFC)
Этот подкласс щелочных топливных элементов в настоящее время активно изучается. Особенностью этих устройств является способность химически хранить водород внутри топливного элемента. Такой же способностью обладает и прямой борогидридный топливный элемент, но в отличие от него MHFC заполняется чистым водородом.
Среди отличительных характеристик этих топливных элементов можно выделить следующие:
- способность перезаряжаться от электрической энергии;
- работа при низких температурах - до -20°C;
- длительный срок хранения;
- быстрый "холодный" старт;
- способность некоторое время работать без внешнего источника водорода (на время замены топлива).
Не смотря на то, что многие компании работают над созданием массовых MHFC, пока эффективность прототипов недостаточно высока в сравнении с конкурирующими технологиями. Один из наилучших показателей плотности тока для этих топливных элементов составляет 250 миллиампер на квадратный сантиметр, при этом обычные топливные элементы стандарта PEMFC обеспечивают плотность тока в 1 ампер на квадратный сантиметр.
Электро-гальванические топливные элементы (EGFC)
Химическая реакция в EGFC проходит при участии гидроксида калия и кислорода. Это создает электрический ток между свинцовым анодом и позолоченным катодом. Напряжение, выдаваемое электро-гальваническим топливным элементом, прямо пропорционально количеству кислорода. Эта особенность позволила EGFC найти широкое применение в качестве устройств проверки концентрации кислорода в аквалангах и медицинском оборудовании. Но именно благодаря этой зависимости у топливных элементов на гидроксиде калия весьма ограниченный срок эффективной работы (пока концентрация кислорода велика).
Первые сертифицированные устройства проверки концентрации кислорода на EGFC стали массово доступны в 2005 году, но тогда не снискали большой популярности. Выпущенная спустя два года существенно модифицированная модель была гораздо успешнее и даже получила приз за "инновацию" на специализированной выставке дайверов в Флориде. В настоящее время их используют такие организации как NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и DDRC (Diving Diseases Research Centre).
Прямые топливные элементы на муравьиной кислоте (DFAFC)
Эти топливные элементы являются подтипом PEMFC-устройств с прямой подачей муравьиной кислоты. Благодаря своим специфическим особенностям эти топливные элементы имеют большие шансы в будущем стать главным средством питания такой портативной электроники, как ноутбуки, сотовые телефоны и т.д.
Как и метанол, муравьиную кислоту напрямую подают в топливный элемент без специальной стадии очистки. Хранить это вещество также намного безопаснее, чем, например, водород, к тому же не требуется обеспечивать какие-либо специфические условия хранения: муравьиная кислота является жидкостью при нормальной температуре. Более того, у этой технологии есть и два неоспоримых преимущества перед прямыми метаноловыми топливными элементами. Во-первых, в отличие от метанола, муравьиная кислота не просачивается через мембрану. Поэтому эффективность DFAFC по определению должна быть выше. Во-вторых, в случае разгерметизации, муравьиная кислота не столь опасна (метанол может вызывать слепоту, а при сильной дозировке и смерть).
Что интересно, до недавнего времени многие ученые не рассматривали эту технологию как имеющую практическое будущее. Причиной, побудившей исследователей на многие годы "поставить крест" на муравьиной кислоте, было высокое электрохимическое перенапряжение, приводившее к существенным электрическим потерям. Но результаты недавних экспериментов показали, что причина такой неэффективности была в использовании платины в качестве катализатора, которая традиционно широко применялась для этих целей в топливных элементах. После того, как ученые из Иллинойсского Университета провели ряд опытов с другими материалами, оказалось, что в случае применения палладия в качестве катализатора продуктивность DFAFC выше, чем у эквивалентных прямых метанольных топливных элементов. В настоящее время правами на эту технологию обладает американская компания Tekion, предлагающая линейку своих продуктов Formira Power Pack для устройств микроэлектроники. Эта система представляет собой "дуплекс", состоящий из аккумуляторной батареи и собственно топливного элемента. После того, как запас реагентов в картридже, заряжающем батарейку, иссякает, пользователь просто меняет его на новый. Таким образом он становится полностью независим от "розетки". Согласно обещаниям производителя, время между зарядами увеличится вдвое при том, что технология обойдется лишь на 10-15% дороже обычных батареек. Единственным серьезным препятствием на пути этой технологии может стать то, что ее поддерживает компания средней руки и ее попросту могут "завалить" конкуренты большего масштаба, представляющие свои технологии, которые могут даже уступать DFAFC по ряду параметров.
Прямые метанольные топливные элементы (DMFC)
Эти топливные элементы являются подвидом устройств с протонообменной мембраной. В них используется метанол, заправляемый в топливный элемент без дополнительной очистки. При этом метиловый спирт гораздо проще хранить и он не взрывоопасен (хотя он горюч и может вызывать слепоту). При этом у метанола энергетическая емкость существенно выше, чем у сжатого водорода.
Однако из-за того, что метанол способен просачиваться через мембрану, эффективность DMFC при больших объемах топлива невелика. И хотя по этой причине они не годятся для транспорта и крупных установок, эти устройства прекрасно подходят на роль заменителей аккумуляторных батарей на мобильных устройствах.
Топливные элементы на обработанном метаноле (RMFC)
Топливные элементы на обработанном метаноле отличаются от DMFC лишь тем, что в них метанол на стадии предшествующей выработке электричества преобразуется в водород и углекислый газ. Это происходит в специальном устройстве именуемом топливный процессор. После этой предварительной стадии (реакция осуществляется при температуре выше 250°C), водород ступает в реакцию окисления, в результате которой образуется вода и вырабатывается электричество.
Использование метанола в RMFC обусловлено тем, что он является природным носителем водорода, и при достаточно низкой температуре (по сравнению с другими веществами) может быть разложен на водород и углекислый газ. Поэтому эта технология и более совершена, чем DMFC. Топливные элементы на обработанном метаноле позволяют добиться большей эффективности, их компактности и работы при температурах ниже нуля.
Прямые этанольные топливные элементы (DEFC)
Еще один представитель класса топливных элементов с протонообменной решеткой. Как следует из названия, этанол поступает в топливный элемент минуя стадии дополнительной очистки или разложения на более простые вещества. Первый плюс этих устройств - это использование этилового спирта вместо токсичного метанола. Это означает, что не нужно вкладывать огромные деньги в налаживание этого топлива.
Энергетическая плотность спирта приблизительно на 30% выше, чем у метанола. К тому же его можно получать в больших количествах из биомассы. В целях снижения стоимости топливных элементов на этаноле, активно ведется поиск альтернативного материала катализатора. Платина, традиционно используемая в топливных элементах для этих целей, слишком дорога и является существенным препятствием на пути массового внедрения этих технологий. Решением этой проблемы могут стать катализаторы из смеси железа, меди и никеля, демонстрирующие в экспериментальных системах впечатляющие результаты.
Цинково-воздушные топливные элементы (ZAFC)
ZAFC для производства электрической энергии используют окисление цинка кислородом из воздуха. Эти топливные элементы недороги в производстве и обеспечивают достаточно высокую плотность энергии. В настоящее время их используют в слуховых аппаратах и экспериментальных электрических автомобилях.
Со стороны анода находится смесь частичек цинка с электролитом, а со стороны катода вода и кислород из воздуха, которые реагируют друг с другом и образуют гидроксил (его молекула представляет собой атом кислорода и атом водорода, между которыми существует ковалентная связь). В результате реакции гидроксила с цинковой смесью высвобождаются электроны, идущие к катоду. Максимальное напряжение, которое выдается такими топливными элементами, - это 1.65 В, но, как правило, его искусственно снижают до 1.4–1.35 В, ограничивая доступ воздуха в систему. Конечными продуктами этой электрохимической реакции являются оксид цинка и вода.
Возможно использование этой технологии, как в батарейках (без перезарядки), так и в топливных элементах. В последнем случае, камера со стороны анода очищается и заполняется вновь цинковой пастой. В целом, технология ZAFC зарекомендовали себя как простые и надежные элементы питания. Их неоспоримым плюсом является возможность управлять реакцией лишь регулируя подачу воздуха в топливный элемент. Многие исследователи рассматривают цинково-воздушные топливные элементы в качестве будущего главного источника питания электрических транспортных средств.
Микробные топливные элементы (MFC)
Идея использовать бактерии на благо человечества не нова, хотя до претворения этих задумок в жизнь дошло недавно. В настоящее время активно изучается вопрос коммерческого использования биотехнологий для производства различных продуктов (например, выработка водорода из биомассы), нейтрализации вредных веществ и производства электроэнергии. Микробные топливные элементы, еще именуемые биологическими, представляют собой биологическую электрохимическую систему, вырабатывающую электрический ток благодаря использованию бактерий. Эта технология основана на катаболизме (разложение сложной молекулы на более простую с выделением энергии) таких веществ как глюкоза, ацетат (соль уксусной кислоты), бутират (соль масляной кислоты) или сточные воды. Благодаря их окислению, высвобождаются электроны, которые передаются на анод, после чего по проводнику выработанный электрический ток поступает к катоду.
В таких топливных элементах как правило используются медиаторы, улучшающие проходимость электронов. Проблема в том, что вещества, играющие роли медиаторов, дороги и токсичны. Однако, в случае использования электрохимически активных бактерий, нужда в медиаторах отпадает. Такие "без медиаторные" микробные топливные элементы начали создавать совсем недавно и потому, пока далеко не все их свойства хорошо изучены.
Несмотря на препятствия, которые MFC еще только предстоит преодолеть, у этой технологии огромный потенциал. Во-первых, "топливо" найти не представляет особого труда. И более того, сегодня вопрос очистки сточных вод и утилизации многих отходов стоит очень остро. Применение этой технологии могло бы решить обе эти проблемы. Во-вторых, теоретически ее эффективность может быть очень высокой. Главной проблемой для инженеров микробных топливных элементов являются, и собственно важнейший элемент этого устройства, микробы. И пока микробиологи, получающие многочисленные гранды на исследования, ликуют, писатели-фантасты тоже потирают руки, предвкушая успех книг, посвященных последствиям "выхода в свет" неправильных микроорганизмов. Естественно, что риск вывести что-то такое, что "переваривало" бы не только не нужные отходы, но и что-то ценное, есть. Поэтому в принципе, как и в случае с любыми новыми биотехнологиями, люди относятся к идее носить в кармане коробочку, кишащую бактериями, с опаской.
Применение
Стационарные бытовые и промышленные электростанции
Топливные элементы находят широкое применение в качестве источников энергии во всевозможных автономных системах, как, например, космические корабли, удаленные метеостанции, военные объекты и т.д. Главное преимущество такой системы электроснабжения, чрезвычайно высокая по сравнению с другими технологиями надежность. Ввиду отсутствия в топливных элементах подвижных частей и каких-либо механизмов надежность систем энергоснабжения может достигать 99.99%. К тому же, в случае использования водорода в качестве реагента можно добиться очень малого веса, что в случае с космическим оборудованием, является одним из важнейших критериев.
В последнее время все большее распространение получают комбинированные тепло-электро установки, широко используемые в жилых домах и офисах. Особенность этих систем заключается в том, что они постоянно вырабатывают электричество, которое если не потребляется сразу, то используется для нагрева воды и воздуха. Не смотря на то, что электрическое КПД таких установок лишь 15-20%, этот недостаток компенсируется тем, что неиспользованное электричество идет на производство тепла. В целом же энергетический КПД подобных комбинированных систем составляет около 80%. Одним из лучших реагентов для подобных топливных элементов служит фосфорная кислота. Эти установки обеспечивают энергетическое КПД на уровне 90% (35-50% электричество и остальное тепловая энергия).
Транспорт
Энергетические системы на базе топливных элементов широко используются и на транспорте. К слову немцы одними из первых начали устанавливать топливные элементы на транспортные средства. Так первая в мире коммерческая лодка, оборудованная такой установкой, дебютировала восемь лет назад. Это небольшое судно окрещенное "Hydra" и рассчитанное на перевозку до 22 пассажиров было спущено на воду вблизи бывшей столицы ФРГ в июне 2000 года. В качестве энергонесущего реагента выступает водород (щелочной топливный элемент). Благодаря использованию алкалайновых (щелочных) топливных элементов, установка способна вырабатывать ток при температурах до –10°C и не "боится" соленой воды. Лодка "Hydra", приводимая в движение электрическим двигателем мощностью 5 кВт, способна развивать скорость до 6 узлов (около 12 км/ч).
Лодка "Hydra"
Гораздо большее распространение получили топливные элементы (в частности на водороде) на наземном транспорте. Вообще водород уже достаточно давно используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, и в принципе обычный двигатель внутреннего сгорания достаточно легко переоборудовать на использование этого альтернативного вида топлива. Однако традиционное сжигание водорода менее эффективно, чем выработка электричества путем осуществления химической реакции между водородом и кислородом. И в идеале водород в том случае, если он будет использоваться в топливных элементах, будет абсолютно безопасен для природы или как говорят "дружелюбен к окружающей среде", поскольку в процессе химической реакции не выделяется углекислого газа или иных веществ, умиляющих "парниковый эффект".
Правда здесь, как и следовало ожидать, есть несколько больших "но". Дело в том, что многие технологии получения водорода из не возобновляемых ресурсов (природный газ, уголь, нефтепродукты) не столь безвредны для окружающей среды, поскольку в их процессе выделяется большое количество двуокиси углерода. Теоретически если для его получения использовать возобновляемые ресурсы, то тогда вредных выбросов не будет вовсе. Однако в этом случае существенно возрастает себестоимость. По мнению многих экспертов, по этим причинам потенциал водорода, как заменителя бензина или природного газа весьма ограничен. Уже сейчас есть менее дорогостоящие альтернативы и, скорее всего, топливным элементам на первом элементе периодической таблицы так и не удаться стать массовым явлением на транспортных средствах.
Производители автомобилей достаточно активно экспериментируют с водородом в качестве источника энергии. И главной причиной тому служит достаточно жесткая позиция ЕС в отношении вредных выбросов в атмосферу. Подгоняемые все более строгими ограничениями, вводимыми в Европе, компании Daimler AG, Fiat и Ford Motor Company представили свое видение будущего топливных элементов в автомобиле строении, оборудовав подобными силовыми установками свои базовые модели. Еще один европейский автогигант Volkswagen в настоящее время готовит свой автомобиль на топливных элементах. Не отстают от них японские и южно-корейские фирмы. Впрочем, далеко не все ставят на эту технологию. Многие предпочитают модифицировать двигатели внутреннего сгорания или комбинировать их с электрическими моторами, работающими от аккумуляторов. По этому пути пошли Toyota, Mazda и BMW. Что до американских компаний, то помимо Ford с его моделью Focus, несколько автомобилей на топливных элементах представила и General Motors. Все эти начинания находят активное поощрение со стороны многих государств. Так, например, в США действует закон, согласно которому выходящий на рынок новый гибридный автомобиль освобождается от налогов, что может составлять вполне приличную сумму, ведь как правило подобные автомобили дороже своих собратьев с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Таким образом, гибриды как покупка становятся еще привлекательнее. Правда пока этот закон касается лишь выходящих на рынок моделей до достижения уровня продаж в 60000 автомобилей, после чего льгота автоматически отменяется.
Электроника
Не так давно топливные элементы начали находить все более широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах и прочих мобильных электронных устройствах. Поводом тому послужила стремительно возрастающая прожорливость предназначенных для длительной автономной работы девайсов. В результате использования в телефонах больших сенсорных экранов, мощных аудио средств и внедрения поддержки Wi-Fi, Bluetooth и прочих высокочастотных беспроводных протоколов связи, изменились и требования к емкости батарей. И, хотя аккумуляторы со времен первых сотовых телефонов шагнули далеко вперед, с точки зрения емкости и компактности (иначе сегодня болельщиков не пускали бы на стадионы с этим оружием с функцией связи), все равно они не поспевают ни за миниатюризацией электронных схем, ни за желанием производителей встроить в свои продукты все больше функций. Еще одним существенным недостатком нынешних аккумуляторных батарей является их долгий срок зарядки. Все приводит к тому, что чем больше в телефоне или карманном мультимедийном проигрывателе возможностей, призванных повысить автономность его владельца (беспроводной Интернет, навигационные системы и т.д.), тем более зависимым от "розетки" становиться это устройство.
Про ноутбуки, гораздо меньше ограниченных в максимальных размерах, и говорить нечего. Уже достаточно давно сформировалась ниша сверхпроизводительных лэптопов, вообще не предназначенных для автономной работы, если не считать таковой перенос из одного офиса в другой. И даже самые экономичные представители ноутбучного мира с трудом могут обеспечить полный рабочий день автономной работы. Поэтому вопрос поиска альтернативы традиционным аккумуляторным батареям, которая была бы не дороже, но и гораздо эффективнее, стоит очень остро. И решением этой проблемы в последнее время занимаются ведущие представители отрасли. Не так давно были представлены коммерческие топливные элементы на метаноле, массовые поставки которых могут быть начаты уже в следующем году.
Выбор исследователей пал на метанол, а не на водород, по некоторым причинам. Хранить метанол гораздо проще, поскольку для этого не нужно создавать высокое давление или обеспечивать специальный температурный режим. Метиловый спирт является жидкостью при температуре от -97.0°C до 64.7°C. При этом удельная энергия, содержащаяся в N-ом объеме метанола на порядок больше, чем в том же объеме водорода, находящегося под высоким давлением. Технология прямого метанольного топливного элемента, широко используемая в мобильных электронных устройствах, подразумевает применение метилового спирта после простого заполнения емкости топливного элемента минуя процедуру каталитического преобразования (отсюда и название "прямой метанольный"). Это также является серьезным преимуществом этой технологии.
Впрочем, как и стоило ожидать, и на все эти плюсы нашлись свои минусы, которые существенно ограничили сферу ее применения. Ввиду того, что все же эта технология до сих пор не полностью отработана, не решенным остается проблема невысокой эффективности подобных топливных элементов, вызываемой "просачиванием" метанола через материал мембраны. К тому же у них не впечатляющие динамические характеристики. Непросто разрешить и что делать с углекислым газом, вырабатываемым у анода. Современные DMFC-устройства не способны вырабатывать большую энергию, однако имеют высокую энергетическую емкость для небольшого объема вещества. Это означает, что хотя энергии много пока не получить, прямые метанольные топливные элементы могут ее вырабатывать длительное время. Это не позволяет им из-за невысокой мощности находить прямое применение в транспортных средствах, но делает их почти идеальным решением для мобильных устройств, для которых критичным является срок автономной работы.
Последние тенденции
Хотя топливные элементы для транспортных средств выпускают уже давно, до сих пор эти решения так и не стали массовыми. Причин тому немало. И главные из них - это экономическая нецелесообразность и неготовность производителей поставить выпуск приемлемого по цене топлива на поток. Попытки же форсировать естественный процесс перехода на возобновляемые источники энергии, как и можно было ожидать, не привели ни к чему хорошему. Конечно, причина резкого роста цен на сельскохозяйственную продукцию скрыта скорее не в том, что ее массово начали превращать в биотопливо, а в том, что многие страны Африки и Азии не способны производить достаточное количество продуктов даже для удовлетворения внутреннего спроса продуктов.
Очевидно, что отказ от использования биотоплива не приведет к существенному улучшению ситуации на мировом продовольственном рынке, а наоборот - может нанести удар по европейским и американским фермерам, впервые за многие годы получивших возможность неплохо зарабатывать. Но нельзя списывать со счетов и этический аспект этого вопроса некрасиво заправлять "хлеб" в баки, когда миллионы людей голодают. Потому в частности европейские политики теперь будут более прохладно относится к биотехнологиям, что уже подтверждается пересмотром стратегии по переходу на возобновляемых источников энергии.
В этой ситуации наиболее перспективной сферой применения для топливных элементов должна стать микроэлектроника. Именно здесь у топливных элементов наибольшие шансы закрепиться. Во-первых, люди, приобретающие сотовые телефоны, в большей степени готовы к экспериментам, чем, скажем, покупатели автомобилей. А во-вторых, они готовы тратить деньги и как правило не прочь "спасти мир". Подтверждением тому может служить ошеломительный успех красной "Боно"-версии плеера iPod Nano, часть денег от продаж которого поступала на счета Красного креста.
"Боно"-версия плеера Apple iPod Nano
Среди обративших свой взор на топливные элементы для портативной электроники как фирмы, ранее специализировавшиеся на создании топливных элементов и теперь просто открывших новую сферу их применения, так и ведущие производители микроэлектроники. Например, недавно компания MTI Micro, перепрофилировавшая свой бизнес на производство метанольных топливных элементов для мобильных электронных устройств, объявила о том, что в 2009 году начнет их массовое производство. Она же представила и первое в мире GPS-устройство на метаноловых топливных элементах. По мнению представителей этой фирмы, в скором будущем ее продукция полностью заменит традиционные ионно-литиевые батареи. Правда, первое время они будут недешевы, но эта проблема сопутствует любой новой технологии.
Для компании вроде Sony, недавно продемонстрировавшей свой вариант DMFC устройства питающего мультимедийную систему , эти технологии в новинку, однако они всерьез намерены не затеряться на новом перспективном рынке. В свою очередь Sharp пошла еще дальше и с помощью своего прототипа топливного элемента недавно установила мировой рекорд удельной энергетической емкости для одного кубического сантиметра метилового спирта в 0.3 Вт. Компаниям-производителям этих топливных элементов пошли на встречу даже правительства многих стран. Так аэропорты в США, Канады, Великобритании, Японии и Китая не смотря на токсичность и горючесть метанола, отменили ранее действовавшие ограничения на его провоз в салоне самолета. Конечно, это допустимо только для сертифицированных топливных элементов емкостью не более 200 мл. Все же это в очередной раз подтверждает интерес к этим разработкам со стороны не только энтузиастов, но и государств.
Правда производители все же стараются перестраховываться и предлагают топливные элементы в основном в качестве резервной системы питания. Одним из таких решений является комбинация топливного элемента и аккумуляторной батареи: пока топливо есть, оно постоянно заряжает аккумулятор, а посте того, как оно заканчивается, пользователь просто заменяет пустой картридж на новую емкость с метанолом. Еще одним популярным направлением является создание зарядных устройств на топливных элементах. Ими можно пользоваться в пути. При этом они очень быстро могут заряжать аккумуляторы. Другими словами в будущем возможно каждый будет носить такую "розетку" в кармане. Такой подход может быть особенно актуален в случае с мобильными телефонами. В свою очередь ноутбуки вполне могут в обозримом будущем обзавестись встроенными топливными элементами, которые и если не полностью заменят зарядку от "розетки", то хотя бы станут ей серьезной альтернативой.
Так согласно прогнозу крупнейшей химической компании Германии BASF, недавно объявившей о начале строительства в Японии своего центра разработки топливных элементов, к 2010 году рынок этих устройств составит $1 миллиард. При этом ее аналитики предсказывают рост рынка топливных элементов до $20 миллиардов уже к 2020 году. К слову в этом центре BASF планирует разрабатывать топливные элементы для портативной электроники (в частности ноутбуков) и стационарных энергетических систем. Место для этого предприятия выбрано не случайно ¬ главными покупателями этих технологий немецкая компания видит именно местные фирмы.
Вместо заключения
Конечно, ждать от топливных элементов, что они станут заменой существующей системы энергоснабжения, не стоит. Во всяком случае в обозримом будущем. Это палка о двух концах: портативные электростанции конечно эффективнее, ввиду отсутствия потерь, связанных с доставкой электричества к потребителю, но при этом стоит и учесть, что стать серьезным конкурентом централизованной системе энергоснабжения они смогут лишь если будет создана централизованная система поставки топлива для этих установок. То есть "розетку" в конечном итоге должна заменить некая труба, поставляющая нужные реагенты в каждый дом и каждый закуток. А это уже не совсем та свобода и независимость от внешних источников тока, о которых говорят производители топливных элементов.
У этих устройств есть неоспоримое преимущество в виде скорости зарядки - попросту сменил картридж с метанолом (в крайнем случае, откупорил трофейный Jack Daniel"s) в фотоаппарате, и опять вприпрыжку по лестницам Лувра. С другой стороны, если, скажем, обычный телефон будет заряжаться за два часа и будет требовать перезарядки каждые 2-3 дня, то вряд ли альтернатива в виде смены картриджа, продаваемого лишь в специализированных магазинах, даже раз в две недели будет уж так востребована массовым пользователем. И, конечно же, пока эти сокрытые в безопасный герметический контейнер пару сотен миллилитров топлива дойдут до конечного потребителя, его цена успеет основательно подрасти. С этим удорожанием возможно будет бороться лишь масштабом производства,¬ а будет ли этот масштаб востребован на рынке? И пока не выбран оптимальный вид топлива, решить эту проблему будет весьма проблематично.
С другой стороны комбинация традиционной зарядки от "розетки", топливных элементов и иных альтернативных систем энергоснабжения (например, солнечные батареи) может стать тем решением проблемы диверсификации источников питания и перехода на экологические их виды. Впрочем, на определенной группе электронных продуктов топливные элементы могут найти широкое применение. Подтверждением тому служит то, что компания Canon недавно запатентовала собственные топливные элементы для цифровых камер и озвучила стратегию внедрения этих технологий в свои решения. Что до лэптопов, то, если до них в скором будущем и дойдут топливные элементы, то вероятнее всего лишь в качестве системы резервного питания. Сейчас, например, речь идет в основном лишь о внешних модулей зарядки, дополнительно подключаемых к ноутбуку.
Но эти технологии имеют огромные перспективы развития в долгосрочной перспективе. В частности в свете угрозы нефтяного голода, который может наступить в ближайшие несколько десятилетий. В этих условиях важнее, даже не то насколько дешевым будет производство топливных элементов, а насколько производство топлива для них будет независимо от нефтехимической отрасли и сможет ли покрыть потребность в нем.
Сэр Уильям Грове знал много об электролизе, поэтому он выдвинул гипотезу, что путем процесса (который расщепляет воду на составляющие водород и кислород путем проведения электричества через нее) он может производить , если провести его в обратном порядке. После расчётов на бумаге, он подошел к экспериментальной стадии и сумел доказать свои идеи. Доказанную гипотезу развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, усовершенствовали технологию и еще в 1889 году дали ей название в которые входили два слова- "топливный элемент".
Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход автомобилистов. Вы безусловно слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору все чаще мелькают новомодные слова. Обычно они относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или программах развития этих гибридных автомобилей.
Например, еще 11 лет назад в США была запущена программа "The Hydrogen Fuel Initiative". Программа была направлена на разработку водородных топливных элементов и технологий инфраструктуры, необходимых для того, чтобы сделать транспортные средства использующие топливные элементы практичными и экономически продуманными, рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на программу было выделено более 1 млрд. долларов, что говорит о серьезной ставке, которую сделали власти Штатов на .
По другую сторону океана производители автомобилей также не дремали, начинали или продолжали проводить свои изыскания на тему машин с топливными элементами. , и даже продолжал работать над созданием надежной технологии топливных элементов.
Наибольшего успеха на данном поприще среди всех мировых автопроизводителей добились две японских автопроизводителя, и . Их модели на топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время их конкуренты следует прямо за ними.
Поэтому, топливные элементы в автомобильной индустрии- это надолго. Рассмотрим принципы работы технологии и ее применение в современных автомобилях.
Принцип работы топливного элемента
В сущности, . С технической точки зрения определить топливный элемент можно как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, постоянный ток.
Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, другие проходят исследовательские тесты. В большинстве из них используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования.
Аналогичная процедура происходит в обычной батарее, отличие только в том, что уже имеет все необходимые химические вещества, требуемые для преобразования "на борту", в то время как топливный элемент может быть "заряжаться" от внешнего источника, благодаря чему процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом процедуры является выделяемое тепло.
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
wikipedia.org
Применение в автомобилях
Из всех типов топливных элементов, по- видимому наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах стали топливные элементы на основе протонообменных мембран или как их называют на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что у него не потребуется много времени для того чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе используется также одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.
Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда Mercedes-Benz представил MB100 созданный на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт), самый большой недостаток этой концепции заключалась в том, что топливный элемент занимал весь объем грузового отсека фургона.
Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была ужасная идея для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту массивного резервуара, заполненного легковоспламеняющимся водородом под давлением.
В течение следующего десятилетия технология развивалась и одна из последних концепций, созданных на топливных элементах от Мерседес имел выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не забывайте про двух японцев, Toyota и . Одним из крупнейших автомобильных игроков стала Honda, который представил серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла в Японию.
Еще дальше пошла Toyota с моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по- видимому способна предоставить футуристичному автомобилю диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправляемого менее чем за пять минут, так же как обычный . Показатели расхода топлива поразят любого скептика, они невероятны даже для автомобиля с классической силовой установкой расходует 3.5 литра независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе, на шоссе или в смешанном цикле.
Прошло восемь лет. Honda потратила это время с пользой для своего дела. Второе поколение Honda FCX Clarity сейчас появляется в продаже. Ее батареи топливных элементов стали на 33% более компактными, чем у первой модели, удельная мощность увеличилась на 60%. Honda уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам сравним с двигателем V6, что оставляет достаточно внутреннего пространства для пяти пассажиров и их багажа.
Предполагаемый диапазон составляет 500 км, а стартовая цена новинки должна закрепиться на уровне в $60,000. Дорого? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000 автомобили с подобными технологиями стоили $100.000.
Топливный 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 способы получения электроэнергии. 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.
Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.
Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .
Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.
Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.
При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.
Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.
Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.
Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.
В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".
В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.
Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.
Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.
В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.
В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).
В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:
2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.
В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).
Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.
Рис.1. Принцип действия топливного элемента
Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.
Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.
И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).
Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле
Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.
Рис. 3. Метанольный топливный элемент
Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.
Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.
1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.
2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.
3. Элементы на щелочном электролите.
4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.
5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.
6. Твердооксидные топливные элементы.
В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.
Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.
При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.
Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.
Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.
По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.
Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.
Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.
Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.
Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.
Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.
В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.
Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.
Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.
Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.
Топливная ячейка (Fuel Cell ) — это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.
Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC).
Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод - кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток - для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.
Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.
Твердооксидные ячейки
Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation - частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве - реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы.
При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.
Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе.
Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств - в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.
Виды топливных ячеек
В настоящее время существуют такие виды топливных ячеек:
- AFC – Alkaline Fuel Cell (щелочная топливная ячейка);
- PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell (фосфорно-кислотная топливная ячейка);
- PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell (топливная ячейка с протонной обменной мембраной);
- DMFC – Direct Methanol Fuel Cell (топливная ячейка с прямым распадом метанола);
- MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell (топливная ячейка расплавленного карбоната);
- SOFC – Solid Oxide Fuel Cell (твердооксидная топливная ячейка).