Топливный элемент. Водородная энергетика: начало большого пути

В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.

Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?

В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.

Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии . Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.

Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор . Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.

В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.

Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.

Изобретение топливных элементов

Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом ). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.

Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.

Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.

Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.

Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)

Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.

Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)

Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.

Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.

Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.

1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.

2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

3. Электролит-протонообменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.

4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.

На рисунке показан газообразный водород (H2), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула H2 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.

Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (H2O).

Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.

Эффективность топливного элемента

Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.

Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.

Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.

Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.

Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях

Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.

У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.

Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено. Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.

Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.

Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.

Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.

Зачем нужно использовать топливные элементы?

Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.

Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.

Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.

Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.

Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды

Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.

Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.

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.

Специалисты в области энергетики отмечают, что в большинстве развитых стран быстро растет интерес к рассредоточенным источникам энергии сравнительно малой мощности. Главные преимущества этих автономных энергоустановок -умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию, сравнительно простое обслуживание и хорошие экологические характеристики. При автономной системе электроснабжения не требуется вложений в линии электропередач и подстанции. Расположение автономных источников энергии непосредственно в местах потребления не только избавляет от потерь в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.

Хорошо известны такие автономные источники энергии, как малые ГТУ (газотурбинные установки), двигатели внутреннего сгорания, ветроустановки и солнечные батареи на полупроводниках.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания или турбин, работающих на угле / газе, топливные элементы не сжигают топливо. Они преобразовывают химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции. Поэтому топливные элементы не производят большого количества парниковых газов, выделяющихся при сгорании топлива, таких как двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и окись азота (NOx). Выбросы из топливных элементов представляют собой воду в форме пара и низкие уровни двуокиси углерода (или же выбросов CO2 нет вообще), если в качестве топлива для элементов используется водород. Кроме того, топливные элементы работают бесшумно, потому что они не включают шумные роторы высокого давления и при их эксплуатации отсутствуют шумы выхлопных газов и вибрация.

Топливный элемент преобразовывает химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции с кислородом или другим окисляющим веществом. Топливные элементы состоят из анода (отрицательная сторона), катода (положительная сторона) и электролита, который обеспечивает перемещение зарядов между двумя сторонами топливного элемента (Рисунок: Принципиальная схема топливных элементов).

Электроны перемещаются от анода к катоду через внешний контур, создавая электричество постоянного тока. В связи с тем, что основным отличием разных типов топливных элементов является электролит, топливные элементы подразделяются по типу используемого электролита, т.е. высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы (ТЭПМ, ПМТЭ). Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда также могут использоваться углеводороды, такие как природный газ и спирты (т.е. метанол). Топливные элементы отличаются от аккумуляторов тем, что для них требуется постоянный источник топлива и кислорода / воздуха для поддержания химической реакции, и они производят электроэнергию до тех пор, пока их подача осуществляется.

Топливные элементы имеют следующие преимущества по сравнению с обычными источниками энергии, такими как двигатели внутреннего сгорания или аккумуляторы:

• Топливные элементы имеют более высокую эффективность, чем дизельные или газовые двигатели.
• Большинство топливных элементов работает бесшумно, если сравнивать их с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому они пригодны для зданий с особыми требованиями, например, больницы.
• Топливные элементы не приводят к загрязнению, вызываемому сжигаемым ископаемым топливом; например, побочным продуктом топливных элементов, работающих на водороде, является только вода.
• Если водород получается в результате электролиза воды, обеспечиваемого возобновляемым источником энергии, то при использовании топливных элементов парниковый газ не выделяется на протяжении всего цикла.
• Для топливных элементов не требуется обычное топливо, такое как нефть или газ, поэтому можно избавиться от экономической зависимости от стран-производителей нефти и обеспечить большую энергетическую безопасность.
• Топливные элементы не зависят от энергосетей, так как водород может производиться в любом месте, где есть вода и электроэнергия, и может распределяться производимое топливо.
• При применении стационарных топливных элементов для производства энергии в точке потребления можно использовать децентрализованные энергосети, которые потенциально являются более стабильными.
• Низкотемпературные топливные элементы (ТЭПМ, ПМТЭ) имеют низкий уровень передачи тепла, что делает их идеальными для различного применения.
• Топливные элементы с более высокой температурой производят высококачественную технологическую тепловую энергию вместе с электричеством, и они хорошо подходят для когенерации (такой как совместное производство тепловой и электрической энергии для жилых домов).
• Время работы значительно больше, чем время работы аккумуляторов, так как для увеличения времени работы требуется только большее количество топлива, а повышение производительности установки не требуется.
• В отличие от аккумуляторов, топливные элементы имеют «эффект запоминания» при их заправке.
• Техническое обслуживание топливных элементов является простым, так как они не имеют больших подвижных частей.

Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, так как он не производит выбросов вредных загрязняющих веществ. Однако могут использоваться и другие виды топлива, и топливные элементы, работающие на природном газе, считаются эффективным альтернативным вариантом, когда природный газ доступен по конкурентоспособным ценам. В топливных элементах поток топлива и окислителей проходит через электроды, которые разделены электролитом. Это вызывает химическую реакцию, в результате которой производится электроэнергия; при этом не требуется сжигать топливо или добавлять тепловую энергию, что обычно имеет место при традиционных способах производства электроэнергии. При использовании в качестве топлива природного чистого водорода, а в качестве окислителя кислорода, в результате реакции, которая происходит в топливном элементе, вырабатываются вода, тепловая энергия и электроэнергия. При использовании других видов топлива топливные элементы выделяют очень низкий уровень выбросов загрязняющих веществ и производят высококачественную надежную электроэнергию.

Преимущества топливных элементов, работающих на природном газе, являются следующими:

• Преимущества для окружающей среды - Топливные элементы представляют собой чистый метод производства электроэнергии из ископаемого топлива. Между тем как топливные элементы, работающие на чистом водороде и кислороде, производят только воду, электроэнергию и тепловую энергию; другие типы топливных элементов выделяют ничтожно малое количество серных соединений и очень низкий уровень двуокиси углерода. Однако двуокись углерода, выделяемая топливными элементами, является концентрированной, и ее легко можно удерживать вместо того, чтобы выбрасывать в атмосферу.
• Эффективность - Топливные элементы преобразовывают энергию, имеющуюся в ископаемом топливе, в электроэнергию намного эффективнее, чем традиционные способы производства электричества со сжиганием топлива. Это означает, что для производства одинакового количества электроэнергии требуется меньше топлива. По оценке Национальной лаборатории энергетических технологий 58 , могут выпускаться топливные элементы (в комбинации с турбинами, работающими на природном газе), которые будут работать в диапазоне мощности от 1 до 20 МВтэ с КПД 70%. Этот КПД намного выше, чем КПД, который может достигаться при помощи традиционных методов производства энергии в указанном диапазоне мощности.
• Производство с распределением - Топливные элементы могут выпускаться очень малых размеров; это позволяет размещать их в тех местах, где требуется электроэнергия. Это касается установок для жилых, коммерческих, промышленных зданий и даже для транспортных средств.
• Надежность - Топливные элементы являются полностью закрытыми устройствами без подвижных частей и сложного машинного оборудования. Это делает их надежными источниками электроэнергии, способными работать в течение многих часов. Кроме того, они являются почти бесшумными и безопасными источниками электроэнергии. Также в топливных элементах нет скачков электричества; это значит, что их можно использовать в тех случаях, когда нужен постоянно работающий, надежный источник электроэнергии.

До последнего времени менее популярными были топливные элементы (ТЭ), представляющие собой электрохимические генераторы, способные преобразовать химическую энергию в электрическую, минуя процессы горения, превращения тепловой энергии в механическую, а последней - в электроэнергию. Электрическая энергия образуется в топливных элементах благодаря химической реакции между восстановителем и окислителем, которые непрерывно поступают к электродам. Восстановителем чаще всего служит водород, окислителем - кислород или воздух. Совокупность батареи топливных элементов и устройств для подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла (которое может утилизироваться) представляет собой электрохимический генератор.
В последнее десятилетие XX века, когда вопросы надежности электроснабжения и экологические проблемы приобрели особенно важное значение, многие фирмы в Европе, Японии и в США приступили к разработке и производству нескольких вариантов топливных элементов.
Наиболее простыми являются щелочные топливные элементы, с которых началось освоение этого вида автономных источников энергии. Рабочая температура в этих ТЭ составляет 80-95°С, электролитом является 30%-ный раствор едкого калия. Работают щелочные ТЭ на чистом водороде.
В последнее время большое распространение получил топливный элемент РЕМ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом). Рабочая температура в этом процессе - также 80-95°С, но в качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана с перфторсулфокислотой.
По общему признанию, наиболее привлекательным в коммерческом плане является топливный элемент с фосфорной кислотой PAFC, у которого КПД по выработке только электроэнергии достигает 40%, а при использовании выделенного тепла -85%. Рабочая температура у этого ТЭ 175—200°С, электролит - жидкая фосфорная кислота, пропитывающая карбид кремния, связанный тефлоном.

Пакет элемента снабжен двумя графитовыми пористыми электродами и орто-фосфорной кислотой в качестве электролита. Электроды покрыты платиновым катализатором. В реформере природный газ при взаимодействии с паром переходит в водород и СО, который доокисляется до СО2 в конверторе. Далее молекулы водорода под влиянием катализатора диссоциируют на аноде на ионы Н. Электроны, освобожденные в этой реакции, направляются через нагрузку к катоду. На катоде они реагируют с ионами водорода, диффундирующими через электролит, и с ионами кислорода, которые образуются в результате каталитической реакции окисления кислорода воздуха на катоде, образуя в конечном итоге воду.
К перспективным видам топливных элементов относится также ТЭ с расплавленным карбонатом типа MCFC. Этот ТЭ при работе на метане имеет КПД по электроэнергии 50-57%. Рабочая температура 540—650°С, электролит - расплавленный карбонат калиевой и натриевой щелочей в оболочке - матрице из литий-алюминиевого оксида LiA102.
И, наконец, наиболее перспективный топливный элемент - SOFC. Это твердооксидный топливный элемент, использующий любое газообразное топливо и наиболее пригодный для сравнительно крупных установок. Его КПД по электроэнергии составляет 50-55%, а при использовании в установках комбинированного цикла -до 65%. Рабочая температура 980—1000°С, электролит - твердый цирконий, стабилизированный иттрием.

На рис. 2 показана батарея SOFC из 24-х элементов, разработанная специалистами из корпорации Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Германия). Эта батарея является основой электрохимического генератора, работающего на природном газе. Первые демонстрационные испытания энергоустановки такого типа мощностью 400 Вт были проведены еще в 1986 г. В последующие годы совершенствовалась конструкция твердооксидных топливных элементов и увеличивалась их мощность.

Наиболее успешными были демонстрационные испытания установки мощностью 100 кВт, сданной в эксплуатацию в 1999 г. Энергоустановка подтвердила возможность получения электроэнергии с высоким КПД (46%), а также показала высокую стабильность характеристик. Тем самым была доказана возможность эксплуатации энергоустановки не менее 40 тыс. часов при допустимом падении ее мощности.

В 2001 г. была разработана новая энергоустановка на твердооксидных элементах, работающая при атмосферном давлении. Батарея (электрохимический генератор) мощностью энергоустановки 250 кВт с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла включала в себя 2304 твердооксидных трубчатых элемента. Кроме того, в состав установки входили инвертор, регенератор, подогреватель топлива (природного газа), камера сгорания для подогрева воздуха, теплообменник для подогрева воды за счет тепла уходящих газов и другое вспомогательное оборудование. При этом габаритные размеры установки были вполне умеренными: 2,6x3,0x10,8 м.
Определенных успехов в разработке крупных топливных элементов добились японские специалисты. Исследовательские работы были начаты в Японии еще в 1972 г., но значительные успехи были достигнуты только в середине 90-х годов. Опытные модули топливных элементов имели мощность от 50 до 1000 кВт, причем 2/3 из них работали на природном газе.
В 1994 г. в Японии была сооружена установка с топливными элементами мощностью 1 МВт. При общем КПД (с выработкой пара и горячей воды), равном 71%, установка имела КПД по отпуску электроэнергии не менее 36%. С 1995 г., по сообщениям прессы, в Токио эксплуатируется энергоустановка на топливных элементах с фосфорной кислотой мощностью 11 МВт, а общая мощность выпущенных топливных элементов к 2000 г. достигла 40 МВт.

Все перечисленные выше установки относятся к классу промышленных. Их разработчики постоянно стремятся к повышению мощности агрегатов, чтобы улучшить стоимостные характеристики (удельные затраты на кВт установленной мощности и стоимость выработанной электроэнергии). Но есть несколько компаний, которые ставят другую задачу: разработать простейшие установки для бытового потребления, в том числе - индивидуальные источники электропитания. И в этой области имеются существенные достижения:

• компания Plug Power LLC разработала установку на топливных элементах мощностью 7 кВт для энергоснабжения дома;
• корпорация Н Power выпускает используемые на транспорте зарядные агрегаты для аккумуляторов мощностью 50-100 Вт;
• компания Intern. Fuel Cells LLC выпускает установки для транспорта и персональные источники питания мощностью 50-300 Вт;
• корпорация Analytic Power разработала по заказу армии США персональные источники питания мощностью по 150 Вт, а также установки на топливных элементах для домашнего энергоснабжения мощностью от 3 до 10 кВт.

В чем же заключаются достоинства топливных элементов, побуждающие многочисленные компании вкладывать огромные средства в их разработку?
Помимо высокой надежности электрохимические генераторы имеют высокий КПД, что выгодно отличает их от паротурбинных установок и даже от установок с ГТУ простого цикла. Важным достоинством топливных элементов является удобство их использования в качестве рассредоточенных источников энергии: модульная конструкция позволяет соединить последовательно любое количество отдельных элементов с образованием батареи - идеальное качество для наращивания мощности.

Но самым важным аргументом в пользу топливных элементов являются их экологические характеристики. Выбросы NOX и СО на этих установках настолько малы, что, например, окружные Управления по качеству воздуха в регионах (где нормы экологического контроля являются наиболее жесткими в США) даже не упоминают это оборудование во всех требованиях, касающихся защиты атмосферы.

Многочисленные преимущества топливных элементов, к сожалению, не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток - высокую стоимость, В США, например, удельные капитальные затраты на сооружение энергоустановки даже с наиболее конкурентоспособными топливными элементами составляют примерно 3500 долл./кВт. И хотя правительство предоставляет субсидию в размере 1ООО долл./кВт, чтобы стимулировать спрос на эту технологию, стоимость сооружения таких объектов остается достаточно высокой. Особенно при сопоставлении с капитальными затратами на строительство мини-ТЭЦ с ГТУ или с двигателями внутреннего сгорания мегаваттно-го диапазона мощности, которые составляют примерно 500 долл./кВт.

В последние годы наметился определенный прогресс в деле снижения затрат на установки с ТЭ. Сооружение энергоустановок с ТЭ на базе фосфорной кислоты мощностью 0,2-1,0 МВт, о которых упоминалось выше, обошлось в 1700 долл./кВт. Стоимость производства энергии на таких установках в Германии при использовании их в течение 6000 ч в год по расчетам составляет 7,5-10 центов/кВт-ч. Установка РС25 мощностью 200 кВт, которую эксплуатирует энергокомпания Hessische EAG (Дарм-штадт), также имеет неплохие экономические показатели: стоимость электроэнергии, включая амортизационные отчисления, затраты на топливо и на обслуживание установки в сумме составили 15 центов/кВт-ч. Этот же показатель для ТЭС на буром угле составлял в энергокомпании 5,6 цента/кВт-ч, на каменном угле - 4,7 цента/кВт-ч, для парогазовых установок - 4,7 цента/кВт-ч и для дизельных электростанций - 10,3 цента/кВт-ч.

При сооружении более крупной установки на топливных элементах (N=1564 кВт), работающей с 1997 г. в Кельне, потребовались удельные капитальные затраты в количестве 1500-1750 долл./кВт, но стоимость собственно топливных элементов составила только 400 долл. /кВт

Все вышеизложенное показывает, что топливные элементы - это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи - снижения стоимости -этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.

Топливные элементы Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент «вмонтирован» в каждую живую клетку (см. гл.2).

Источником водорода в организме служит пища – жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном счете раскладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.

Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).

Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.

Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект – электролизер вырабатывал электрический ток.

Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет – появляется пламя.

Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:

C + O2 = CO2 + тепло

В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.

Горение – обмен электронов между атомами, а электрический ток – направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.

Основа любого ХИТ – два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. гл. 2). На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2–). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.

В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:

газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается «всеядным».

Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо «готовить». Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.

Два направления развития ТЭ

Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.

Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.

Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.

После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.

В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).

С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.

После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.

Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.

Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют «Янус». Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.

В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.

Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии – топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами*.

* Газгольдер [газ + англ. holder держатель] – хранилище для больших количеств газа.

Первое поколение ТЭ

Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде*. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

* Технический водород – продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода.

Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.

Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% – это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния – от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.

Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.

Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций – 30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ

Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:

снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.

Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.

В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.

Виктор ЛАВРУС.

Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП об экологически безопасных технологиях, новой науке и научных открытиях вы можете найти там, где вам максимально удобно

Часть 1

В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.

Введение

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.

Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.

Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.

С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).

Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.

При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.

Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.

Достоинства и недостатки топливных элементов

Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.

В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.

Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.

Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).

Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.

Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.

Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.

Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.

История и современное использование топливных элементов

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.

Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.

В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».

Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.

В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).

Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.

Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.

Таблица 1 Область применения топливных элементов

Область применения Номинальная мощность Примеры использования Стационарные установки 5–250 кВт и выше Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения Портативные установки 1–50 кВт Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники Мобильные установки 25–150 кВт Автомобили (опытные образцы создали, например, «DaimlerCrysler», «FIAT», «Ford», «General Motors», «Honda», «Hyundai», «Nissan», «Toyota», «Volkswagen», ВАЗ), автобусы (например, «MAN», «Neoplan», «Renault») и другие транспортные средства, военные корабли и субмарины Микроустройства 1–500 Вт Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры (PDA), различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.

Принцип действия топливных элементов

Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.

Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.

На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.

Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.

Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).

	Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента)
	Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы
	Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны
	Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка
	Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода

Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).

Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).

Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.

Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.

В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.

Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.

Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).

Устройство топливных элементов

Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.

Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.

Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.

Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.

Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:

CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO

(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(реакция экзотермическая, с выделением тепла).

Общая реакция выражается уравнением:

CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).

Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.

Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).

В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.

В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.

Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.

Типы топливных элементов

В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):

1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.

Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.

Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)

Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.

Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».

Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.

Таблица 2 Типы топливных элементов

Тип элемента Рабочие температуры, °С КПД выход электрической энергии), % Суммарный КПД, % Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (PAFC) 150–200 35 70–80 Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

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.