Как устроен топливный элемент



Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды. Топливный элемент похож на электрическую батарею тем, что электрохимическая реакция происходит до тех пор, пока имеется топливо. Водород хранится в герметичном контейнере под давлением, кислород же берется из атмосферы. Из-за отсутствия горения нет никаких вредных выбросов, продуктом данного процесса является лишь чистая вода. Эта вода, выделяемая протонообменной мембраной топливного элемента, настолько чистая, что на демонстрациях топливных элементов посетителей часто могут угостить чаем из этой воды.

Фундаментально в топливном элементе происходит процесс электролиза в обратном направлении - с помощью двух электродов, разделенных электролитом. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород. Катализатор на аноде диссоциирует водород в положительно заряженные ионы водорода и электроны. Ионизированный кислород мигрирует через электролит в направлении анода, где соединяется с водородом. Один топливный элемент может обеспечить напряжение 0,6-0,8 В под нагрузкой. Для обеспечения более высокого напряжения необходимо последовательное соединение нескольких элементов. На рисунке 1 иллюстрируется концепция топливного элемента.

Принцип работы топливного элемента

Рисунок 1: Принцип работы топливного элемента. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород.

Принцип получения энергии, заложенный в топливном элементе, является в два раза эффективнее сжигания углеродного топлива. Водород, самый простой химический элемент (состоящий из одного протона и одного электрона), является удобным и исключительно чистым топливом. Водород составляет 90% Вселенной и является третьим наиболее распространенным элементом на Земле. Такое богатство водорода обеспечивает практически неограниченные возможности генерирования энергии, но есть одна загвоздка.

Большинство водорода в природе находится в составе соединений, и его извлечение требует энергии. С точки зрения теплотворной способности, производство водорода является более дорогостоящим, чем производство бензина. Утверждается, что водород энергетически нейтрален, то есть полученная с его помощью энергия будет равна затраченной на его производство. (Смотрите: Конечная теплотворность).

Хранение водорода представляет собой еще один недостаток. Сжатый водород требует тяжелых стальных резервуаров, и если снова применить точку зрения теплотворности, но уже к объему, то показатель теплотворности газообразного водорода будет в 24 раза меньше показателя жидкого углеродного топлива. Если же хранить водород в жидкой форме, которая намного плотнее, то стоимость резервуара для такого “холодного” хранения будет еще выше.

Водород может быть получен с помощью риформинга путем экстракции из существующего топлива, такого как метанол, пропан, бутан или природный газ. Такое преобразование ископаемого топлива в чистый водород подразумевает некоторый остаток углерода - но количество этого остатка на 90% меньше, чем в продуктах горения из выхлопной трубы автомобиля. Добавление дополнительной установки для риформинга увеличивает вес и стоимость топливного элемента. К тому же, выгода от конверсии водорода находится под вопросом, поскольку она не решает проблему энергообразования в полной мере.

Даже при наличии высвобожденного водорода, ядро топливного элемента (стэк), преобразующее водород и кислород в электричество, является очень дорогим и имеет ограниченный срок службы. Вследствие этого, на сегодняшний день именно сжигание ископаемого топлива в двигателе внутреннего сгорания является самым простым и наиболее эффективным средством получения энергии, хотя и приводит к загрязнению окружающей среды.

Сэр Уильям Гроув, английский физик и химик, разработал концепцию топливного элемента в 1839 году, но она не получила развития - то было время активных исследований в области двигателей внутреннего сгорания, которые показывали обнадеживающие результаты. Так было вплоть до 1960 года, когда НАСА решило использовать именно топливные элементы во время космической программы Джемини. Щелочные топливные элементы выиграли конкуренцию у систем генерации ядерной и солнечной энергии, и обеспечивали как и выработку электроэнергии, так и производство питьевой воды для астронавтов.

Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.

1. Топливный элемент с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливный элемент с протонообменной мембраной, также известный как МОПТЭ, использует полимерный электролит. МОПТЭ является одной из наиболее развитых и часто используемых систем топливных элементов; области его применения распространяются на транспорт, портативные источники питания и обеспечение резервного питания. Система МОПТЭ имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокое соотношения энергии к весу. Еще одним преимуществом является возможность относительно быстрого запуска. Топливный элемент работает при умеренной температуре в 80°С и его КПД составляет 50% (показатель КПД двигателя внутреннего сгорания - 25-30%).

К недостаткам систем с протонообменной мембраной можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему управления подачи воды. Ядро топливного элемента не может быть запущено просто пуском водорода и кислорода, также необходимо и определенное стартовое количество воды в нем. Топливо для элемента, водород, должен быть чрезвычайно очищенным, так как в другом случае он может вызвать засорение или даже разложение мембраны. Настройка и обслуживание систем таких топливных элементов крайне сложны; к примеру, 150-вольтовая система насчитывает 250 отдельных элементов, которые необходимо правильно настроить.

Топливный элемент чувствителен к низким температурам, ведь это может привести к образованию льда. Это вынуждает добавлять в конструкцию нагревательные элементы, которые увеличивают конечную стоимость. Запуск в холодную погоду занимает больше времени, а производительность заметно ниже. Избыточное теплообразование также может привести к повреждению ячейки. Системы контроля температуры и подачи кислорода потребляют около 30% генерируемой электроэнергии.

При установке в транспортное средство, топливный элемент с протонообменной мембраной имеет расчетный срок службы 2000-4000 часов. Вследствие неравномерной нагрузки происходит излишнее увлажнение или, наоборот, высыхание ячейки, что способствует износу мембраны. При установке в устройство с непрерывным циклом работы, топливный элемент способен нормально функционировать на протяжении 40000 часов. Снижение функциональности происходит плавно, что делает его похожим на электрохимическую батарею. Замена ядра (стэка) топливного элемента является основной расходной частью обслуживания.

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы получили наибольшее применение в космической отрасли (в том числе, для космических кораблей многоразового использования). Стоимость производства и обслуживания, особенно для ядра топливного элемента, являются сравнительно доступными. Например, сепаратор для топливного элемента с протонообменной мембраной стоит от $ 800 до $ 1100 за квадратный метр, а для щелочного его стоимость даже не берется в расчет (она сравнима с ценой квадратного метра сепаратора свинцово-кислотного аккумулятора и составляет $ 5). Также экономия достигается путем отсутствия необходимости в системе контроля за водными ресурсами. Коэффициент полезного действия такого топливного элемента находится в районе 60%. Но у него есть и недостатки, например, его физические размеры конструктивно больше, чем у версии с протонообменной мембраной, также ему необходим крайне чистый водород и кислород. Использование кислорода из окружающей среды, в составе которой есть двуокись углерода, может вывести такой элемент из строя. Данные недостатки ограничивают применение щелочных топливных элементов специализированными приложениями.

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

В крупных стационарных установках используются три вида топливных элементов - на расплаве карбоната (РКТЭ), на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ). ТОТЭ является наименее распространенным, но в последнее время из-за прорыва в исследованиях материалов и конструкции ядра элемента, на эту технологию обращено повышенное внимание. Благодаря новому поколению керамического материала удалось снизить рабочую температуру с 800-1000°С до 500-600°С. Это позволяет использовать нержавеющую сталь вместо дорогой керамики для вспомогательных деталей.

Высокая температура позволяет осуществлять прямое извлечение водорода из природного газа посредством процесса каталитического риформинга. Именно способность потреблять углеродное топливо без необходимости предварительного риформинга обеспечивает высокую эффективность и создает значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Благодаря теплообразованию, побочному продукту процессов в ТОТЭ, которое также возможно использовать для генерации электричества с помощью турбин, КПД твердооксидных топливных элементов может достигать 70%, что является самым высоким показателем среди всех видов топливных элементов. Среди недостатков - необходимость использования температуростойких и дорогостоящих материалов для ядра топливного элемента, которые имеют ограниченный срок службы.

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Портативные топливные элементы являются крайне интересным и привлекающем внимание направлением, и наиболее перспективная технология для их создания – это прямое окисление метанола. Топливные элементы с прямым окислением метанола имеют небольшой размер, недороги в изготовлении, удобны в использовании и не требуют сжатого газообразного водорода. ПОМТЭ имеют хорошие электрохимические характеристики, их заправка производится путем впрыскивания жидкости или замены картриджа, что позволяет продолжать работу без простоев.

Реалии рынка и технологий на сегодняшней день таковы, что полноценным конкурентом классическим электрохимическим батареям топливные элементы пока быть не могут. Крайне интересным выглядит их использование в качестве зарядного устройства для обеспечения беспрерывной работы встроенного аккумулятора. Среди недостатков ПОМТЭ - ядовитость и огнеопасность метанола, из-за которых его использование и транспортировка жестко регламентируется. Например, перевозить разрешено только до двух дополнительных запасных картриджей емкостью не более 200 мл (на другие вещества для топливных элементов, к примеру, водород, данное ограничение не распространяется).

На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.

Микротопливный элемент

Рисунок 2: Микротопливный элемент. Этот прототип микротопливного элемента способен обеспечивать 300 мВт непрерывной мощности.

Топливный элемент Toshiba с заправочным картриджем

Рисунок 3: Топливный элемент Toshiba с заправочным картриджем. Картридж емкостью 10 мл содержит метанол чистотой 99,5%.

Исследования в сфере портативных топливных элементов не стоят на месте, например, корпорацией Toshiba был представлен прототип для использования в ноутбуках и других устройствах, способный генерировать от 20 до 100 ватт мощности. Прототип имеет компактные размеры, а по удельной энергоемкости сопоставим с никель-кадмиевой батареей. В то же время кампания Panasonic анонсирует модель аналогичных размеров, но с выходной мощностью, в два раза превышающей показатель прототипа Toshiba. Срок службы данной модели будет составлять порядка 5000 часов, при 8-часовом ежедневном использовании (с перерывами). Низкая долговечность является проблемой всех топливных элементов.

Делаются попытки создания портативных топливных элементов и на водороде, что дает преимущество в виде повышения эффективности и уменьшения размеров. Этим миниатюрным системам не нужны насосы и вентиляторы, вследствие этого они абсолютно бесшумны. При использовании с картриджем типового объема и с заправкой каждые 20 часов, такой элемент способен обеспечить энергию, эквивалентную 10 щелочным батарейкам типоразмера АА. Микротопливные элементы найдут свое применение в портативной компьютерной технике, беспроводной связи, фонариках и даже электровелосипедах.

Также такие элементы интересны для использования в военной и рекреационной сферах. На рисунке 4 показан портативный топливный элемент кампании SFC (Smart Fuel Cell), поставляемый с различными мощностными характеристиками - от 600 до 2160 Вт*ч в день.

Портативный топливный элемент потребительского сегмента

Рисунок 4: Портативный топливный элемент потребительского сегмента. Топливный элемент преобразует водород и кислород в электричество с единственным побочным продуктом - чистой водой. Топливные элементы могут использоваться в помещении в качестве генератора электроэнергии.

В таблице 5 описаны сферы применения, преимущества и ограничения обычных топливных элементов. Таблица включает в себя не рассмотренные выше технологии на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и на основе расплава карбоната (РКТЭ).

Тип топливного элемента Сфера применения Рабочая температура и КПД Преимущества Недостатки
Мембрана обмена протонов Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт 50-100°С;
80°С номинал;
35-60% КПД
Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов
Щелочной Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт 90-100°С;
60% КПД
Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода
Расплав карбоната Большие установки электрогенерации 600-700°С;
60% КПД
Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
На основе фосфорной кислоты Средние и большие установки электрогенерации 150-200°С;
40% КПД
Непритязательность к качеству топлива, когенерация Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор
Твердооксидный Средние и большие установки электрогенерации 700-1000°С;
60% КПД
Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
С прямым окислением метанола Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации 40-60°С;
20% КПД
Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность

Таблица 5: Преимущества и недостатки различных систем топливных элементов.
Разработки и улучшения в сфере топливных элементов происходят постепенно, малый показатель удельной мощности не позволяет быть прямым конкурентом электрическим батареям.

Топливным элементам присущи такие ограничения как медленный запуск, низкая выходная мощность, медленная реакция на потребность в электроэнергии, плохие нагрузочные характеристики, маленький диапазон мощности, короткий срок службы и высокая стоимость. Подобно электрическим батареям, производительность всех топливных элементов снижается с возрастом, это происходит из-за постепенной деградации компонентов ядра (стека) топливного элемента. Такая проблема потери эффективности гораздо менее выражена, например, у двигателей внутреннего сгорания.

Топливным элементам мощностью менее 1 кВт, как правило, не нужно давление при работе, и подача кислорода происходит только с помощью вентилятора; системы же свыше 1 кВт герметичны и оборудованы компрессором, который снижает общую эффективность и является довольно шумным. Относительно высокое внутреннее сопротивление представляет собой еще одну проблему. Каждая ячейка стека производит около 1 В в открытой цепи, подключение большой нагрузки приводит к заметному падению напряжения. Подобно электрической батарее, мощность топливного элемента уменьшается с возрастом. Отдельные ячейки могут выходить из строя и вызывать сбои в работе, приводящие к неправильному функционированию всей системы или загрязнению окружающей среды. На рисунке 6 показаны значения напряжения и мощности в зависимости от нагрузки.

Диапазон мощности портативного топливного элемента

Рисунок 6: Диапазон мощности портативного топливного элемента. Высокое внутреннее сопротивление приводит к быстрому падению напряжения при подключении нагрузки. Диапазон мощности ограничен значениями от 300 до 800 мА.

Топливные элементы лучше всего работают при нагрузке 30%, более высокие значения снижают эффективность. Это вкупе с плохой чувствительностью дросселя ограничивают эффективное использование топливных элементов сферой вспомогательного электропитания и зарядных устройств. Роль автономного источника питания, изначально предназначаемая топливным элементам, пока что остается непокоренной ими.

5. Парадокс топливной ячейки

Пик популярности топливных элементов пришелся на 1990-е годы, когда ученые и инженеры были увлечены идеей о экологически чистом и неиссякаемом топливе - водороде. Предсказывалось, что каждый автомобиль и домохозяйство вскоре будут работать на топливных элементах. Акции профильных компаний взлетели до небес, но вскоре индустрия уперлась в грань - была достигнута предельная производительность, а высокие производственные затраты и ограниченный срок службы весьма ограничивали применение топливных элементов.

Ожидалось, что топливные элементы окажут на мир такое же влияние, как оказали микропроцессорные технологии в 1970-е годы. Этот экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии должен был решить проблему ископаемого топлива с его ограниченными запасами и экологическими проблемами. С 1999 по 2001 год более 2000 компаний активно взялись за разработку топливных элементов, четырем крупнейшим из них удалось привлечь инвестиции в размере 4 миллиардов долларов. Но что пошло не так?

Водород сам по себе не является источником энергии, он лишь форма транспортировки и хранения энергии аналогичной электричеству, которым заряжается батарея. Чтобы представить себе “сжигание бесконечного количества водорода”, необходимо сначала произвести водород, что нельзя сделать по аналогии с нефтью, добыв ее из-под земли. Водород возможно получить из ископаемого топлива, но конечная полученная энергия в этом случае будет меньше, чем в случае прямого сжигания углеродов. Единственным достоинством такого способа будет уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Подобно тому, как не удалось создать паровой самолет в середине 1800-х, можно предположить, что топливные элементы никогда не станут той формой источника энергии, в которой их видели разработчики. Но существует определенное развитие этой технологии в автомобильной промышленности, есть спрос на них и в качестве вспомогательных источников питания, которые могут быть установлены в труднодоступные районы с минимальной возможностью обслуживания. Топливные элементы позволяют непрерывную и экологически чистую эксплуатацию, где бы они не были установлены. Вполне вероятно, что продолжающееся развитие технологий позволит однажды расширить сферы применения топливных элементов, и мечтам о массовом экологически чистом транспорте на водородном топливе суждено исполнится.

Последнее обновление 2016-02-27


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 4/5 на основе 7 голосов