ЭХГ

Прямой метанольный топливный элемент

Топливный элемент — 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.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, и у них нет такого жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (см. Цикл Карно). Соответственно, они могут иметь очень высокий коэффицент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков топлива и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

с протонообменной мембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонопроводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40%.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны ^[1].

Анодные материалы и катализаторы

Катодные материалы и катализаторы

Типы топливных элементов

Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2

• Твердооксидный топливный элемент (англ. Solid-oxide fuel cells — SOFC);
• Топливный элемент с протонообменной мембраной (англ. Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC);
• Обратимый топливный элемент (англ. Reversible Fuel Cell);
• Прямой метанольный топливный элемент (англ. Direct-methanol fuel cell — DMFC);
• Расплавной карбонатный топливный элемент (англ. Molten-carbonate fuel cells — MCFC);
• Фосфорнокислый топливный элемент (англ. Phosphoric-acid fuel cells — PAFC);
• Щелочной топливный элемент (англ. Alkaline fuel cells — AFC).

История

История исследований в России

В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.

Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.

Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт. топливные элементы.

В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.

В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.

В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил к.т.н. Мирзоев Г. К.

В 2003 году было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией "Норильский никель" в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению в 2005 году Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты», которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимерным электролитом мощностью 1 кВт.

Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведется, появятся, видимо, в 2010—2015 годах.

Применение топливных элементов

Стационарные приложения

• производство электрической энергии (на электрических станциях),
• аварийные источники энергии,
• автономное электроснабжение,

Транспорт

автомобильные топливные элементы Honda, см Honda FCX

• электромобили, автотранспорт,
• морской транспорт,
• железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника
• вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т.д.)

Бортовое питание

• авиация, космос,
• подводные лодки, морской транспорт,

Мобильные устройства

• портативная электроника,
• питание сотовых телефонов,
• зарядные устройства для армии.

Полная статья Водородная энергетика.

Преимущества водородных топливных элементов

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств. Это

Высокий КПД

Экологичность

Компактные размеры

Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, повысить время действия приборов и оборудования.

Проблемы топливных элементов

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя цена электроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0,09 за кВт·ч, тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04—$0,07 (см. Ветроэнергетика или AWEA). В Японии киловатт-час электроэнергии стоит около $0,2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённой фотоэлектрическими элементами. То есть с ростом цен на энергоносители производство водорода электролизом воды становится более конкурентноспособным.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1 % СО.

Но на этом недостатки топливных элементов с платиновыми катализаторами не заканчиваются. Сюда следует отнести высокую стоимость платины, цены на которую постоянно растут, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие ингибирования катализатора примесями. Кроме того платина катализатора — практически невосполняемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15-20 лет производства элементов^[2].

На данный момент очень перспективной выглядит возможность применения ферментов в качестве катализатора. Ферменты являются возобновляемым материалом, который можно производить в неограниченных количествах. Они дешевы, не отравляются основными примесями в дешевом топливе. Обладают специфическими премуществами. Нечувствительность ферментов к CO и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.

Примечания

1. ↑ http://www.membrana.ru/lenta/?4431 Изобретён топливный элемент без мембраны
2. ↑ http://www.ntpo.com/patents_electricity/electricity_5/electricity_16.shtml

См. также

• Производство водорода
• Водородный транспорт

Ссылки

• fuelcells.org
• fuelcelltoday.com
• Национальная Ассоциация Водородной Энергетики, Россия
• Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты», Россия
• Департамент Энергетики США