Топливный элемент - это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию.
Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим системам для преобразования энергии (включая газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением выделяющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энергию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую выше 50%. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.
Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водорода и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, скорее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стационарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффективными для использования в автомобилях.
Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или населенные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с другой стороны, имеется преимущество - пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.
Одна из наиболее многообещающих систем - протонно-обменный мембранный топливный элемент - ПОМТЭ (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.
Химические процессы в топливном элементе
В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водорода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топливных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящиеся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положительный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как побочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента - водяной пар.
Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока) для получения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразователя электроэнергии заключается в преобразовании постоянного электрического тока,
произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяговый электродвигатель транспортного средства.
Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной
:
1 - анод;
2 - протонно-обменная мембрана (РЕМ);
3 - катализатор (красный);
4 - катод
Протонно-обменная мембрана топливного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента.
Отдельная ячейка топливного элемента
Рассмотрим, как устроен топливный элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячейки, проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем электрическом контуре (цепи). Для этого в нем гравируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализатора. Катод (положительный полюс топливной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора. Он также проводит электроны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с образованием воды. Электролит - протоннообменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов.
Катализатор - специальный материал, который облегчает реакцию между кислородом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеродистую бумагу или ткань. Катализатор должен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембраной (ПОМ).
Газообразный водород (Н 2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они проходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в действие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.
Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (O 2) продавливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура (цепи) с образованием молекулы воды (H 2 O).
Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много отдельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов.
Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.
На протяжении последних лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы. Многие уже продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощностными и динамическими характеристиками, хотя они имели довольно высокую стоимость.
Совершенствование конструкций таких автомобилей происходит очень интенсивно.
Автомобиль на топливных элементах, использует силовую установку, расположенную под полом автомобиля
Автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes-Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами расположена под полом автомобиля. Такое конструктивное решение дает возможность разместить в салоне автомобиля четырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топлива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (устройства, перерабатывающего метанол в водород), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование реформера на борту автомобиля дает возможность использовать в качестве топлива практически любые углеводороды, что позволяет заправлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теоретически топливные элементы не производят ничего, кроме электричества и воды. Преобразование топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, несколько снижает экологическую привлекательность такого автомобиля.
Компания Honda, которая занимается топливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей Honda FCX-V4 с протонно-обменными топливными элементами мембранного типа фирмы
Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для привода ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим моментом 272 Н м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традиционной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную динамику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.
Автомобиль Honda FСX использует для движения электрическую энергию, получаемую с помощью топливных элементов
Автомобиль Honda FCX - первый в мире автомобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нормам ZEV - Zero Emission Vehicle (автомобиль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти автомобили, а передает порядка 30 автомобилей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок.
Концептуальный автомобиль Hy Wire компании General Motors имеет силовую установку на топливных элементах
Большие исследования по разработке и созданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors.
Шасси автомобиля Hy Wire
При создании концептуального автомобиля GM Hy Wire было получено 26 патентов. Основу автомобиля составляет функциональная платформа толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управления автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Hy Wire представляет собой платформу небольшой толщины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: баллоны для водорода, топливные элементы, аккумуляторы, электродвигатели и системы
управления. Такой подход к конструкции дает возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по производству топливных элементов.
Конструкция «безопасного» топливного бака для сжиженного водорода
:
1 - заправочное устройство;
2 - наружный бак;
3 - опоры;
4 - датчик уровня;
5 - внутренний бак;
6 - заправочная линия;
7 - изоляция и вакуум;
8 - нагреватель;
9 - крепежная коробка
Проблеме использования водорода в качестве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фирмой Magna Steyer, известной своими работами по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разработала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомобилях.
Испытания подтвердили безопасность использования топливного бака с жидким водородом
Компания провела серию испытаний на безопасность конструкции по стандартным методикам и подтвердила ее надежность.
В 2002 г. на автосалоне во Франкфурте-на-Майне (Германия) был показан автомобиль Mini Cooper Hydrogen, который использует в качестве топлива сжиженный водород. Топливный бак этого автомобиля занимает такое же место, как и обычный бензобак. Водород в этом автомобиле используется не для топливных элементов, а в качестве топлива для ДВС.
Первый в мире серийный автомобиль с топливным элементом вместо аккумуляторной батареи
В 2003 г. фирма BMW объявила о выпуске первого серийного автомобиля с топливным элементом BMW 750 hL. Батарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора. Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, а топливный элемент служит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционера и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработающим двигателем.
Заправка водородом производится роботом, водитель не участвует в этом процессе
Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, которые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом.
Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на создание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные силовые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широкое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, экономическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо создать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности.
Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водородном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на водород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД - 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них - процесс добычи водорода.
Проблемы добычи
Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа . Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.
Трубчатая печь для паровой конверсии метана - не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро
Более удобный и простой метод - электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа - большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество - водород- электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.
Мобильная электростанция Toshiba H2One
Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.
Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии - к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.
Монтаж системы H2One в городе Кавасаки
Водородное будущее
Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров - при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.
Водородная энергетика - это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.
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 для привода автомобилей представляют собой электрохимические преобразователи энергии, заключенной в топливе, непосредственно в электроэнергию. В водороднокислородном топливном элементе водород вступает в реакцию «холодного горения» с кислородом, в процессе которой образуется вода и генерируется электрический ток. Топливные элементы не содержат движущихся частей, работают без механического трения, с низким уровнем шума и без загрязняющих окружающую среду выбросов.
Содержание
Принцип действия топливных элементов
Топливный элемент состоит из двух элементов (анода и катода), разделенных электролитом (см. рис. «Принцип действия топливного элемента типа PEM» ). Электролит непроницаем для электронов. Электроды соединяются друг с другом внешней электрической цепью.
На автомобилях в основном применяются топливные элементы с полимерной мембраной в качестве электролита, называемой также протонообменной (РЕМ ) (см. рис. «Структура топливного элемента типа РЕМ» ). Принцип действия топливных элементов описан ниже на примере элементов этого типа.
В топливном элементе типа РЕМ водород направляется к аноду, где он окисляется. При это образуются ионы Н+ (протоны) и электроны (см. рис. 1, а).
Анод: 2 Н 2 -» 4 Н + + 4 е — .
Электролит можно рассматривать как проводящую протоны полимерную мембрану. Электролит проницаем для протонов, но не для электронов. Протоны Н+, образующиеся на аноде, проходят через мембрану и достигают катода. Для того чтобы через мембрану могли проходить протоны, она должна быть достаточно увлажнена. Кислород направляется к катоду, где происходит его восстановление (см. рис. b, «Принцип действия топливного элемента типа PEM»
). Восстановление происходит за счет электронов, проходящих от анода к катоду по внешней электрической цепи.
Катод: O 2 + 4 е — -> 2 О 2- .
На следующей стадии реакции ионы О 2- реагируют с протонами с образованием воды.
Катод: 4 Н + + 2 О 2- -> 2 Н 2 O .
В результате общей реакции, протекающей в топливном элементе, из водорода и кислорода образуется вода (см. рис. с, «Принцип действия топливного элемента типа PEM» ). В отличие от реакции с образованием гремучего газа, в ходе которой водород и кислород реагируют друг с другом взрывообразно, здесь реакция протекает в форме «холодного горения», поскольку стадии реакции протекают раздельно на аноде и катоде.
Общая реакция: 2 Н 2 + O 2 -> 2 Н 2 O .
Описанные выше реакции протекают на каталитических покрытиях электродов. В качестве катализатора чаще всего используется платина.
Теоретическое напряжение одного элемента
Теоретическое напряжение одного водородно-кислородного топливного элемента при температуре 25 °С составляет 1,23 В. Это значение получено из стандартных значений потенциалов электродов. Однако на практике, во время работы элемента, это напряжение не достигается; оно составляет 0,5-1,0 В. Потерю напряжения можно объяснить внутренним сопротивлением элемента или ограничениями, налагаемыми газовой диффузией (см. рис. «Электрические характеристики топливного элемента» ). В основном напряжение зависит от температуры, стехиометрических отношений водорода и кислорода к количеству произведенного электричества, парциального давления водорода и кислорода и плотности тока.
На автомобилях применяются батареи топливных элементов мощностью от 5 до 100 кВт. Чтобы получить высокие напряжения, требуемые для технического применения элементов, элементы последовательно соединяются в батареи (см. рис.4 «Структура батареи топливных элементов»). Батареи могут включать от 40 до 450 элементов, т.е. их максимальное рабочее напряжение составляет от 40 до 450 В.
Высокие значения электрического тока достигаются за счет соответствующей площади поверхности мембраны. Значения выходного тока батарей топливных элементов для автомобилей достигает 500 А.
Принцип действия системы топливных элементов
Для использования батареи топливных элементов требуются подсистемы подачи водорода и кислорода (см. рис.5″Электропривод с системой топливных элементов» ). В принципе, эти системы могут быть реализованы самыми различными способами. Описываемый здесь вариант используется во многих случаях.
Система подачи водорода в топливные элементы
Запас водорода хранится в баллоне высокого давления (700 бар). При помощи редуктора давление водорода понижается приблизительно до 10 бар, и водород поступает в газовый инжектор.
Инжектор представляет собой электромагнитный клапан, при помощи которого давление водорода устанавливается на стороне анода. В отличие от топливных форсунок двигателей внутреннего сгорания инжектор водорода должен обеспечивать постоянный массовый расход. Типичное значение расхода водорода при мощности 100 кВт составляет 2,1 г/с. Максимальное значение давления водорода составляет 2,5 бар.
Для работы батареи топливных элементов требуется постоянный сквозной поток водорода на стороне анода (мера гомогенизации). С этой целью в системе организована рециркуляция водорода.
Разрушающие анод инородные газы на стороне анода непрерывно удаляются через электромагнитный спускной клапан. Это предотвращает накопление инородных газов, выходящих из баллона, или диффузионных газов (азота, водяных паров) со стороны катода. Клапан установлен на выпуске батареи, на стороне анода. Для слива избытка воды в тракте анода используется клапан, открытый при нулевом электрическом токе.
Водород, неизбежно выходящий во время слива воды, либо сильно разбавляется воздухом, либо каталитически преобразуется в воду.
Подача кислорода в топливные элементы
Требуемый для электрохимической реакции кислород берется из окружающего воздуха. Необходимый массовый расход кислорода, составляющий, в зависимости от требуемой мощности батареи, до 100 г/с, подается компрессором. Кислород сжимается компрессором максимум до 2,5 бар и подается на сторону катода топливного элемента. Давление в топливном элементе регулируется клапаном динамического регулирования давления, установленным в тракте выпуска отходящих газов на выходе топливного элемента.
Для обеспечения достаточного увлажнения полимерной мембраны, подаваемый в элемент воздух увлажняется либо при помощи дополнительной мембраны, либо путем впрыска сконденсированной воды.
Тепловой баланс топливных элементов
Электрический к.п.д. топливных элементов составляет приблизительно 50%. Другими словами, в процессе преобразования химической энергии генерируется приблизительно такое же количество тепловой энергии, что и количество электрической энергии. Это тепло необходимо рассеивать. Рабочая температура топливных элементов типа РЕМ составляет приблизительно 85 °С, что меньше температуры двигателей внутреннего сгорания. Несмотря на более высокий к.п.д., радиатор и вентилятор радиатора, при использовании на автомобиле топливных элементов, должны быть увеличены.
Поскольку используемая охлаждающая жидкость находится в прямом контакте с топливными элементами, она должна быть электрически непроводящей (деионизованной). Циркуляция охлаждающей жидкости обеспечивается электрическим насосом. Расход охлаждающей жидкости составляет до 12 000 л/ч. Клапан регулирования температуры распределяет поток охлаждающей жидкости между радиатором и перепускным каналом.
В системе используется охлаждающая жидкость, представляющая собой смесь деионизованной воды и этиленгликоля. Охлаждающую жидкость необходимо деио- ниозировать на автомобиле. С этой целью она пропускается через ионообменник, заполненный специальной смолой, и очищается в процессе удаления ионов. Проводимость охлаждающей жидкости должна составлять менее 5 мкСм/см.
Коэффициент полезного действия системы топливных элементов
В дополнение к быстрой готовности батареи топливных элементов к отдаче энергии при большинстве оптимальных рабочих условий важно обеспечить высокий к.п.д. системы.
На рис. «Коэффициент полезного действия батареи топливных элементов и системы топливных элементов» приведено сравнение к.п.д. батареи топливных элементов с к.п.д. всей системы. Часть электроэнергии потребляется вспомогательными компонентами, такими как компрессор, что снижает общий к.п.д. системы. Тем не менее, системы топливных элементов обладают более высоким к.п.д., чем двигатели внутреннего сгорания, особенно при работе в диапазоне частичных нагрузок.
Безопасность топливных элементов автомобиля
В целях обеспечения безопасности на автомобиле установлено несколько датчиков концентрации водорода. Водород представляет собой газ без цвета и запаха, который при объемной концентрации порядка 4% превращает воздух в горючую смесь. Датчики могут определять концентрацию водорода, начиная с 1%.
Принцип действия привода автомобилей на топливных элементах
Автомобили на топливных элементах представляют собой электромобили, в которых электроэнергия для питания электропривода генерируется системой топливных элементов.
По ряду причин целесообразно включить в систему тяговую аккумуляторную батарею:
- это позволяет запасать энергию во время рекуперативного торможения;
- это способствует повышению динамических характеристик привода;
- изменяя распределение нагрузки между системой топливных элементов и тяговой аккумуляторной батареей, можно еще более увеличить к.п.д. привода.
Поскольку тяговая аккумуляторная батарея является дополнительным источником энергии, такие автомобили известны под названием гибридизированных автомобилей на топливных элементах. Отношение мощности тяговой аккумуляторной батареи к общей мощности (степень гибридизации) варьируется в зависимости от применения системы.
Обычно в качестве основного источника энергии для привода используются системы топливных элементов. Такие автомобили известны под названием гибридных автомобилей на топливных элементах (FCHV ). Обычно системы топливных элементов имеют номинальную мощность 60-100 кВт. Тяговые аккумуляторные батареи имеют номинальную мощность до 30 кВт при емкости 1-2 кВтч.
В качестве альтернативного варианта тяговая аккумуляторная батарея может иметь значительно более высокую номинальную мощность и емкость и при необходимости заряжаться от системы топливных элементов. При этом достаточно иметь батарею топливных элементов с номинальной мощностью от 10 до 30 кВт. Автомобили с такой конфигурацией источников энергии известны под названием автомобилей на топливных элементах с расширенным диапазоном (FC-REX ).
Распределение электроэнергии между системой топливных элементов, тяговой аккумуляторной батареей и электроприводом осуществляется одним или более преобразователями постоянного напряжения. Различные конфигурации таких преобразователей, выбор которых зависит от применения, показаны на рис. «. Конфигурации преобразователей напряжения в системах привода на топливных элементах» . В зависимости от конфигурации напряжение питания электропривода идентично напряжению одного из двух источников электроэнергии (см. рис. а и b ), или изолировано от напряжения тяговой аккумуляторной батареи и батареи топливных элементов (см. рис. с ).
Система электропривода
Система электропривода включает силовой электронный блок (преобразователь) и электродвигатель. Электродвигатель представляет собой синхронную или асинхронную электрическую машину, питание которой осуществляется от преобразователя таким образом, чтобы получить требуемый крутящий момент. Поскольку электропривод имеет высокую номинальную мощность (приблизительно 100 кВт), величина рабочего напряжения может достигать 450 В. В области автомобилестроения используются термины «высокое напряжение» и «электрическая система высокого напряжения». Электрическая система высокого напряжения изолирована от массы автомобиля.
Во время торможения автомобиля электродвигатель переходит в генераторный режим и генерирует электрический ток. Электроэнергия запасается в тяговой аккумуляторной батарее.
При помощи преобразователя высокое напряжение постоянного тока преобразуется в многофазное переменное напряжение, амплитуда которого регулируется в зависимости от требуемого крутящего момента. Как правило, используются преобразователи с выходными каскадами на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT ).
Тяговая аккумуляторная батарея
В зависимости от степени гибридизации используются аккумуляторные батареи высокой емкости или высокой энергии с напряжением от 150 до 400 В. В качестве аккумуляторной батареи высокой емкости используются никель-металлгидридные или литий-ионные аккумуляторные батареи, в то время как в качестве аккумуляторных батарей высокой энергии — только литий-ионные аккумуляторы. Система мониторинга тяговой аккумуляторной батареи контролирует степень зарядки и емкость аккумуляторной батареи.
Преобразователь постоянного напряжения тяговой АКБ
Преобразователь постоянного напряжения тяговой аккумуляторной батареи осуществляет регулирование тока зарядки тяговой аккумуляторной батареи и выходного тока (до 300 А) . Некоторые конфигурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.
Преобразователь постоянного напряжения батареи топливных элементов
Еще одним преобразователем постоянного напряжения является преобразователь напряжения батареи топливных элементов, осуществляющий регулирование выходного тока в пределах до 500 А. Некоторые конфигурации системы позволяют обойтись без этого преобразователя.
Преобразователь постоянного напряжения 12 В
Так же как на обычных автомобилях, на автомобилях на топливных элементах имеется электрическая система напряжением 12 В. Напряжение 12 В преобразуется из высокого напряжения. Для этой цели служит преобразователь постоянного напряжения, включенный между двумя системами. Из соображений безопасности этот преобразователь электрически изолирован. Он работает однонаправленно или двунаправленно и имеет номинальную мощность до 3 кВт.
Перспективы системы приводов на топливных элементах
Системы приводов на топливных элементах уже продемонстрировали свою пригодность в повседневной эксплуатации. Однако, для коммерческого использования в системах приводов автомобилей топливные элементы должны быть усовершенствованы в отношении экономичности и возможности серийного производства.
Упрощение системы дает снижение затрат и повышение надежности. Одним из направлений является разработка новых полимерных мембран для топливных элементов, не требующих увлажнения образующихся в ходе реакции газов и в то же время позволяющих повысить рабочую температуру.
Кроме того, необходимо значительно снизить стоимость всех компонентов. В этом отношении большой потенциал заключается в уменьшении количества платины в каталитическом слое топливного элемента.
В следующей статье я расскажу о
.
