Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.

Топливная ячейка (Fuel Cell ) – это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.

Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC).

Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод - кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток - для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.

Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.

Твердооксидные ячейки

Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation - частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве - реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы.

При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.

Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе.

Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств - в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.

Виды топливных ячеек

В настоящее время существуют такие виды топливных ячеек:

• AFC – Alkaline Fuel Cell (щелочная топливная ячейка);
• PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell (фосфорно-кислотная топливная ячейка);
• PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell (топливная ячейка с протонной обменной мембраной);
• DMFC – Direct Methanol Fuel Cell (топливная ячейка с прямым распадом метанола);
• MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell (топливная ячейка расплавленного карбоната);
• SOFC – Solid Oxide Fuel Cell (твердооксидная топливная ячейка).

Топливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

История появления

В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета - электричество, воду и тепло.

Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века - в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.

Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.

Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Типы

Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Общие понятия

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.

Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов - катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.

Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

• Повышенная удельная теплоемкость.
• Широкий температурный диапазон эксплуатации.
• Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
• Надежность при холодном запуске.
• Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
• Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
• Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
• Длительный срок эксплуатации.
• Бесшумность и экологичность работы.
• Высокий уровень энергоемкости.
• Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Область применения

Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:

• Портативные зарядные устройства.
• Энергоснабжающие системы для БПЛА.
• Источники бесперебойного питания.
• Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка - высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД - 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них - процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа . Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана - не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод - электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа - большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество - водород- электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии - к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров - при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика - это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

На них работают космические корабли Национального управления по аэронавтике и космическому пространству США (НАСА). Они обеспечивают электроэнергией компьютеры Первого национального банка в Омахе. Они используются на некоторых общественных городских автобусах в Чикаго.

Это все - топливные элементы. Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесс горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.

Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства.

История развития

Первые топливные элементы были продемонстрированы сэром Вильямом Гровзом в 1839 г. Гровз показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.

После того, как это было продемонстрировано, многие ученые бросились с усердием изучать топливные элементы, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине девятнадцатого века оставило развитие топливных элементов далеко позади. Еще больше сдерживала развитие топливных элементов их высокая стоимость.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда НАСА обратилась к ним в связи с возникшей потребностью в компактном электрогенераторе для космических полетов. Были вложены соответствующие средства, и в результате полеты Apollo и Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические корабли также работают на топливных элементах.

Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают их на коммерческом рынке. Только за последние почти десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.

Как работает топливный элемент

Топливные элементы похожи на аккумуляторные батареи - они вырабатывают электричество в результате химической реакции. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и таким образом вырабатывают тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию. Если только тепло от выхлопных газов не используется каким-либо образом (например, для обогрева или кондиционирования воздуха), то можно сказать, что КПД двигателя внутреннего сгорания довольно низкий. Например, ожидается, что КПД топливных элементов при использовании в транспортном средстве - проект, который сейчас находится в стадии разработки, - будет выше КПД современных типичных двигателей на бензине, используемых в автомобилях, более чем в два раза.

Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электричество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Батареи - устройства с накопленной энергией: электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.

Существует несколько различных типов топливных элементов. Наипростейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролит. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция - электролит, окруженный двумя электродами, - представляет собой отдельный элемент. 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, которые способствуют протеканию реакции диссоциации:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = двуатомная молекула водорода, форма, в

которой водород присутствует в виде газа;

H+ = ионизированный водород, т.е. протон;

е- = электрон.

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, такого как электродвигатель или лампочка. Это устройство обычно называется "нагрузкой".

С катодной стороны топливного элемента протоны (которые прошли через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) "воссоединяются" и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива, такого как природный газ, бензин или метанол. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. Этот процесс называется "реформингом". Водород можно также получить из аммиака, альтернативных ресурсов, таких как газ из городских свалок и от станций очистки сточных вод, а также путем электролиза воды, при котором для разложения воды на водород и кислород используется электричество. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол.

Для реформинга топлива с целью получения водорода для топливных элементов были разработаны разные средства. Министерство энергетики США разработало топливную установку внутри машины для реформинга бензина с тем, чтобы обеспечивать подачу водорода на автономный топливный элемент. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США продемонстрировали компактную топливную установку по реформингу величиной в одну десятую размеров блока питания. Американская энергокомпания, Northwest Power Systems, и Национальная лаборатория Сандия продемонстрировали топливную реформинговую установку, которая преобразует дизельное топливо в водород для топливных элементов.

По отдельности топливные элементы производят около 0,7-1,0 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы собираются в "каскад", т.е. последовательное соединение. Чтобы создать больший ток, наборы каскадных элементов соединяются параллельно. Если объединить каскады топливных элементов с топливной установкой, системой подачи воздуха и охлаждения, а также с системой управления, то получится двигатель на топливных элементах. Этот двигатель может приводить в действие транспортное средство, стационарную электростанцию или переносной электрический генератор6. Двигатели на топливных элементах бывают разных размеров в зависимости от назначения, типа топливного элемента и используемого топлива. Например, размер каждой из четырех отдельных стационарных электростанций мощностью 200 кВт, установленных в банке в Омахе, приблизительно равен размеру прицепа грузовика.

Применения

Топливные элементы могут использоваться как в стационарных, так и в передвижных устройствах. В ответ на ужесточающиеся требования по нормам выбросов в США производители автомобилей, включая DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan стали проводить эксперименты и демонстрировать машины, работающие на топливных элементах. Ожидается, что первые коммерческие автомобили на топливных элементах появятся на дорогах в 2004 или 2005 г.

Серьезной вехой в истории развитии технологии топливных элементов стала демонстрация в июне 1993 г. экспериментального 32-футового городского автобуса компании Ballard Power System с двигателем на водородных топливных элементах мощностью 90 киловатт. С тех пор было разработано и запущено в эксплуатацию много разных типов и разных поколений пассажирских транспортных средств на топливных элементах, работающих на разных видах топлива. С конца 1996 г. в Палм Дезерт в Калифорнии стали использоваться три мототележки для гольфа на водородных топливных элементах. На дорогах Чикаго, Иллинойс; Ванкувера, Британская Колумбия; и Осло, Норвегия проводятся испытания городских автобусов, работающих на топливных элементах. На улицах Лондона проходят проверку такси, работающие на щелочных топливных элементах.

Демонстрируются также и стационарные установки, использующие технологию топливных элементов, но они пока не имеют широкого коммерческого применения. Первый национальный банк Омаха в Небраске использует систему на топливных элементах для питания компьютеров, поскольку эта система более надежна, чем старая система, работавшая от основной сети с аварийным аккумуляторным питанием. Самая большая в мире коммерческая система на топливных элементах мощностью 1,2 мВт будет скоро установлена в центре по обработке почтовой корреспонденции на Аляске. Проходят испытания и демонстрируются также работающие на топливных элементах портативные компьютеры-лаптопы, системы управления, используемые на станциях очистки сточных вод и торговые автоматы.

"За" и "против"

Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по сравнению с двигателями на бензине.

Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии.

При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар. Так на космических кораблях астронавты пьют воду, которая образуется в результате работы бортовых топливных элементов. Состав выбросов зависит от природы источника водорода. При использовании метанола образуются нулевые выбросы оксидов азота и оксида углерода и только небольшие выбросы углеводорода. Выбросы увеличиваются по мере перехода от водорода к метанолу и бензину, хотя даже при использовании бензина уровень выбросов будет оставаться достаточно низким. В любом случае замена сегодняшних традиционных двигателей внутреннего сгорания на топливные элементы привела бы к общему снижению выбросов СО2 и оксидов азота.

Использование топливных элементов обеспечивает гибкость энергетической инфраструктуры, создавая дополнительные возможности для децентрализованного производства электроэнергии. Множественность децентрализованных источников энергии позволяет снизить потери при передаче электроэнергии и развить рынки сбыта энергии (что особенно важно для отдаленных и сельских районов, при отсутствии доступа к линиям электропередач). С помощью топливных элементов отдельные жители или кварталы могут сами обеспечить себя большей частью электроэнергии и таким образом значительно повысить эффективность ее использования.

Топливные элементы предлагают энергию высокого качества и повышенной надежности. Они долговечны, у них нет подвижных частей, и они производят постоянный объем энергии.

Однако технология топливных элементов нуждается в дальнейшем совершенствовании с тем, чтобы повысить их производительность, снизить затраты и, таким образом, сделать топливные элементы конкурентноспособными относительно других энергетических технологий. Следует отметить, что когда рассматриваются затратные характеристики энергетических технологий, сравнения должны проводиться на основе всех составляющих технологических характеристик, включая капитальные эксплуатационные расходы, выбросы загрязняющих веществ, качество энергии, долговечность, вывод из эксплуатации и гибкость.

Хотя водородный газ является наилучшим топливом, инфраструктуры или транспортной базы для него еще не существует. В ближайшей перспективе для обеспечения энергоустановок источниками водорода в виде бензина, метанола или природного газа могли бы использоваться существующие системы снабжения ископаемым топливом (газовые станции и т.д.). Это исключило бы необходимость создания специальных водородозаправочных станций, но потребовало бы, чтобы на каждом транспортном средстве был установлен преобразователь ("реформатор") ископаемого топлива в водород. Недостаток этого подхода состоит в том, что он использует ископаемое топливо и, таким образом, приводит к выбросам двуокиси углерода. Метанол, являющийся в настоящее время ведущим кандидатом, создает меньше выбросов, чем бензин, но он бы потребовал установки на автомобиле емкости большего объема, поскольку он занимает в два раза больше места при одинаковом энерго-содержании.

В отличие от систем снабжения ископаемым топливом, солнечные и ветровые системы (использующие электричество для создания водорода и кислорода из воды) и системы прямого фотопреобразования энергии (использующие полупроводниковые материалы или ферменты для производства водорода) могли бы обеспечивать снабжение водородом без этапа реформинга, и, таким образом, можно было бы избежать выбросов вредных веществ, что наблюдается при использовании метаноловых или бензиновых топливных элементов. Водород мог бы накапливаться и преобразовываться в электричество в топливном элементе по мере необходимости. В перспективе соединение топливных элементов с такого рода возобновляемыми источниками энергии, скорее всего, будет эффективной стратегией обеспечения продуктивным, экологически продуманным и универсальным источником энергии.

Рекомендации IEER заключаются в том, чтобы местные и федеральные власти, а также власти штатов часть своих закупочных бюджетов по транспортному хозяйству направляли на транспортные средства на топливных элементах, а также на стационарные системы на топливных элементах для обеспечения теплом и электричеством некоторых из своих существенных или новых зданий. Это будет способствовать развитию жизненно важной технологии и снижению выбросов парниковых газов.