Топливный элемент - что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.

История топливных элементов

История топливных элементов - это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.

Всё началось в 1839 году , когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название "топливный элемент" было подарено изобретению в год его юбилея - в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер - авторы термина.

Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».

Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК "Энергия"разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа "Буран" также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.

Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.

Принцип работы топливных элементов

Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) - на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:

2H 2 → 4H + + 4e -

где H 2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + - ионизированный водород (протон); е - - электрон.

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка):

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Характеристики топливных элементов

Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:

• они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),

  химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),

  они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).

Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В . Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.

У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80% ,

КПД почти не зависит от коэффициента загрузки ,

Ёмкость в несколько раз выше , чем в существующих аккумуляторах,

Полное отсутствие экологически вредных выбросов . Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).

Виды топливных элементов

Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:

по используемому топливу,

по рабочему давлению и температуре,

по характеру применения.

В целом, выделяют следующие типы топливных элементов :

Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells - SOFC);

Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);

Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);

Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell - DMFC);

Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);

Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);

Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells - AFC).

Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.

Проблемы топливных элементов

Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия "упакованного" водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично - курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H 2 S (сероводород), которые отравляют катализатор.

Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.

Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.

Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение

Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:

Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.

Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона - до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.

Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол - достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.

За топливными элементами - будущее!

Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.

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).

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

Рис. 1. Некоторые топливные элементы

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

Рис. 2.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

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

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

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

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

1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

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

Рис. 3.

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

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

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

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

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

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых, чем те, что используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они работают на чистом водороде и кислороде.

2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

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

Рис. 4.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Эти ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – теплота.

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

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

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

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

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

3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

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

Рис. 5.

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

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

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e

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

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

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочную теплоту можно быть использовать для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.

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

4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

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

Рис. 6.

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

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

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

Рис. 7.

5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

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

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочная теплота.

Рис. 8.

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

Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-

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

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

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

6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

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

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.

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

7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

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

8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Рис. 9.

9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов

Рис. 10.

10. Использование топливных элементов в автомобилях

Рис. 11.

Рис. 12.

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.

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).

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.

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.

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.