Водородная топливная ячейка

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Водород – самый распространенный химический элемент в нашей Вселенной, атом которого имеют простейшую структуру (как известно, природа не любит сложностей). Кроме того, многие специалисты полагают, что это перспективный и экологически чистый источник энергии будущего. Так ли это на самом деле, мы попытаемся разобраться в рамках настоящей статьи.

Итак, водород – самый первый элемент таблицы Менделеева и самый распространённый элемент Вселенной. На него приходится около семи десятых её массы. На поверхности нашей планеты водород обычно присутствует в виде соединений, в воде его примерно одиннадцать процентов, на суше – порядка процента. Соединение двух атомов водорода в единую молекулу даёт самый лёгкий газ планеты. Доля его в атмосфере ничтожна, он не токсичен, человек его просто не замечает.

Самое распространённое и хорошо всем знакомое из разнообразных соединений водорода – это, конечно, основа жизнивода. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и её планетные запасы неисчерпаемы. Чтобы получить водород из воды, надо пропустить через неё электрический ток. При этом происходит электролитическое разложение, водород и кислород выделяются вблизи погружённых в воду электродов и всплывают в виде пузырьков.

Естественно, обратный процесс идёт с выделением энергии. Окисление водорода в чистом кислороде даёт единственный продукт – воду. Сгорание на воздухе в силу присутствия в нём азота приведёт к образованию оксидов азота, но – в малых количествах.

Особое место занимают металлогидриды, соединения водорода с металлами, вернее, его растворы в них. Они обладают одним замечательным свойством: объём металлов при их образовании почти не меняется, то есть на единицу своего объёма они могут поглощать многие объёмы водорода.

Специалисты говорят, что принципиально ничто не мешает использовать чистый водород в качестве газового автомобильного топлива. Теоретически из выхлопной трубы автомобиля на водороде должна течь вода, точнее, пар, если не учитывать продукты высокотемпературных реакций смазочных масел двигателя. Ещё несколько лет назад это не вызывающее возражений мнение широко тиражировалось и производителями, и прессой.

Но практика показала, что принципиального скачка в новую экологическую нишу совершить не удалось. Выхлопы переоборудованных на газоводородное топливо двигателей внутреннего сгорания содержат вредные вещества в количествах, сравнимых с обычным двигателем. Эти автомобили можно совершенствовать, однако нынешние методы производства самого топлива неизбежно загрязняют атмосферу.

На сегодня известны две основные технологии производства силовых автомобильных установок на водороде. Это 1) топливные ячейки для электромобилей и 2) модифицированные двигатели внутреннего сгорания разнообразных конструкций. Ещё несколько лет назад было впечатление, что первые вытеснят последние. Однако этого пока не произошло.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода, был построен чуть более двухсот лет назад, в 1806 году. Поршневой двигатель, модифицированный под водородное топливо, впервые был запатентован менее пятидесяти лет назад, в 1970 году. Сегодня производители переоборудуют под водород даже дизельные двигатели с прямым впрыском топлива. И стоит это не так дорого, как может показаться.

Химики знают, что водород имеет высокую теплоту сгорания. Поэтому существенная переделка двигателя в первую очередь связана с ростом его теплонагруженности. В моторах устанавливают более прочные и термостойкие детали, рычаги и клапаны распредвала, их сёдла, большие демпферы коленвала. Применяют особые материалы крышек цилиндров и инжекторов газового топлива, свечи без платиновых электродов, высоковольтные катушки зажигания, модифицированный под турбонадув входной воздухопровод, высокотемпературное двигательное масло и пр.

В результате всех переделок мощность двигателя вырастает примерно на двадцать процентов, если его прародитель был инжекторным, и на 40 – если карбюраторным. Модификация удорожает двигатель внутреннего сгорания примерно в полтора раза. И всё же перед силовыми установками с топливными ячейками эти имеют преимущества многотопливности и надёжной работы при низких температурах. Это, конечно, результат длительной эволюции автодвигателя.

Наиболее известны широкой публике водородомобили германского концерна BMW. Это выпущенные в 2007 году ограниченным тиражом в сотню экземпляров «люксовый» Hydrogen 7 и рекордный по скорости H2R.

Рис. 1. Устройство BMW Hydrogen 7. Схема из пресс-материалов BMW.

Первый имеет своим прототипом классический бензиновый «биммер» с шестилитровым 12-цилиндровым V-образным двигателем седьмой серии. Имея под капотом две с половиной сотни лошадей, на 100 километров этот автомобиль с двумя топливными баками тратит 50 литров водорода или 14 литров бензина. Даже в сжиженном состоянии энергоёмкость водорода в пять раз меньше бензина.

Жидкий водород заправляют в 110-литровый криогенный бак с двухслойным, хорошо изолирующим покрытием. Его теплопроводность эквивалентна таковой для стены из современных строительных полимеров толщиной в семнадцать метров. Хранение в жидком виде позволяет в том же объёме бака иметь на три четверти больший энергозапас, чем у сжатого до семисот атмосфер водорода. Чтобы остаться жидким, топливо должно поддерживаться при температуре, не превышающей минус 253 градуса. Если Hydrogen 7 оставить на стоянке, бак будет постепенно разогреваться, а топливо – испаряться. Примерно через семнадцать часов при превышении некоторого критического давления паров автоматика стравит часть водорода в атмосферу. За десяток дней бак оставленного в гараже автомобиля разрядится полностью.

Рис. 2. Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid.

Фотография из пресс-материалов Mazda.

В США хорошо известен концепт пикапа фирмы Ford. Трёхтопливный флекс F-250 Super Chief способен заправляться и водородом. В Азии тон задаёт фирма Mazda, известная своими приёмистыми роторными двигателями Ванкеля. Создание надёжных термостойких уплотнений в высокооборотном роторном Ванкеле – очень непростая инженерная задача. Ещё в 1991 году была построена первая водородная Mazda HR-X. Впоследствии фирма переключилась на гибриды. В 2003 году появился RX-8 Hydrogen RE на водородном топливе и бензине, в 2007-м – водородный Premacy Hydrogen RE Hybrid.

Окисление водорода в топливных элементах и питание их током силового электромотора – это второй путь использования водородного топлива. Топливный элемент или ячейка – это перезаряжаемая батарея, но не от раза к разу, как аккумулятор, а непрерывно, с постоянным добавлением химического топлива и окислителя. Ячейка прямо и эффективно преобразует химическую энергию топлива в постоянный электрический ток и тепло. Изобретены топливные элементы давно, а во второй половине прошлого века они применялись для энергоснабжения космических кораблей. Кстати сказать, в своё время таким безотходным электрогенератором был оснащён космический челнок «Буран».

Все ячейки состоят из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подаётся водород, через другой – чистый кислород или кислород из воздуха. Водород обычно соединяется с кислородом внутри пористой полимерной мембраны. Отходом производства электроэнергии служит чистая вода. Есть разные типы топливных ячеек. Это прямые метанольные ячейки, ячейки на полимерных электролитных мембранах, на фосфорной кислоте, на расплавленных карбонатах, на твёрдых оксидах и др.

Топливные ячейки – продукт высоких технологий. Часто их конструкции сложны и недостаточно отработаны. При эксплуатации они требуют «защиты от дурака». В движении они боятся ударных нагрузок и сотрясений. При температурах ниже нуля вода замерзает, поэтому ячейки требуют внешнего подогрева.

Рис. 3. GM Electrovan 1966 года – первый в мире

работающий автомобиль на водородных топливных

элементах, который в ходе испытаний развил скорость

110 км/ч. До 100 км/ч он разгонялся за 30 секунд и

имел запас хода примерно в 230 километров. Проект

был закрыт по причине невероятно высокой стоимости

производства и полного отсутствия инфраструктуры

для таких автомобилей. Единственный действующий

экземпляр использовался только на территории завода

GM. Фотография и схема из архивов General Motors.

Первый автомобиль на топливных ячейках появился в 1966 году. Им был концепт-кар от General Motors под названием Electrovan. Его криогенная топливная ячейка фирмы Union Carbide питала тот же электромотор, что был у электрического концепта Chevrolet Electrovair II. Скорость Electrovan достигала сотни километров в час при пробеге на одной зарядке в пару сотен километров. Характеристики как у электромобиля. Известен интересный проект Autonomy от General Motors. Это платформа автомобиля, на которую можно установить любой кузов. Электромоторы-колеса питались от водородных топливных элементов, а управление этим напичканным электроникой монстром, даже рулевое, осуществлялось электрически, через разъёмы платформы.

Chrysler в начале века создал целую серию джипов на топливных ячейках. Daimler с 1994 по 2000 год разработал пять видов своего Mercedes NECAR. В 2002 году фирмой был представлен Mercedes Benz F-CELL, базирующийся на Mercedes Benz «A» класса, в 2009-м – Roadster на его основе. Японская фирма Toyota в 2002-м широко рекламировала гибридный автомобиль на водородных элементах FCVH-4 (fuel cell hybrid vehicle) на базе внедорожника Kluger V. Его максимальная скорость – 95 миль/час, а пробег на одной заправке – 155 миль.

Ещё недавно крупные компании массово разрабатывали конструкции на топливных элементах. Ими интересовались такие гиганты, как Honda, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota Opel, Volkswagen и др. Труднее назвать фирмы-производители, которые были к ним равнодушны. Инвестиции в проекты составляли сотни миллионов долларов. Теперь же всё не так. Фирма Ford, создавшая Focus FCV-Fuel СELL, даже официально заявила об отказе от водородных планов с целью сосредоточения на разработке электромобилей.

Рассказывают, что одному алхимику средневековья страстный неофит поведал о своём желании изобрести вещество, которое будет растворять любое другое. Сразу последовал вопрос: «А в чём Вы его будете хранить?» Конечно, химически активный водород не растворяет все вещества, но самая важная проблема практического использования водорода в автомобилях та же – это длительное, надёжное и экономичное хранение.

Малое энергосодержание на единицу объёма требует высоких давлений или сжижения при хранении и перевозке, а значит – сложных конструкций топливных баков. Отсюда их высокий вес. Характерная цифра – жидкий водород имеет плотность, в четырнадцать раз меньшую, чем у воды. Альтернативой газобакам высокого давления могут стать заранее «заряженные» водородом сменные контейнеры, начинённые пористыми поглотителями, которые выделяют водород при подогреве. Сегодня наибольшую ёмкость имеют баки с гидридами металлов, разрабатывают и баки с углеродными наноматериалами. Однако все они пока не могут хранить нужного для дальнего пробега запаса топлива.

Есть масса путей получения водорода. Сегодня его производят из метана и других видов углеводородного топлива. Сырьём может быть широкий спектр материалов. К примеру, несколько лет назад американские химики разработали простой способ получения водорода из природного растительного сырья. В новом технологическом процессе также образуется оксид углерода и немного метана. Водород же выделяется на платиноалюминиевом катализаторе при нагреве растительной глюкозы под давлением. Учёные из Университета штата Висконсин предлагают использовать в качестве сырья не только сахар-сырец, но и отходы различных производств, в частности деревообрабатывающей промышленности. Основная проблема в данном случае – удешевление применяемых катализаторов.

Процесс преобразования в водород бензина, других жидких углеводородов или природного газа называют риформингом. И, что привлекательно, проводить его можно почти в «домашних условиях». К примеру, известен проект компании General Motors – риформер, получающий водород из бензина с малым содержанием серы. Им был оснащён Chevrolet S-10 с силовой установкой на водородных топливных элементах, расходовавший шесть литров бензина на сотню километров пути.

Чтобы надёжно и безопасно заправлять газобаки под давлением в сотни атмосфер, канадская компания Fuelmaker, известная своими небольшими заправочными комплексами для природного газа, выпускает водородную мини-компрессорную станцию. Она забирает газ низкого давления от источника, сушит его и подаёт в бак автомобиля. Источником служит водород, полученный электролизом воды или разложением природного газа. Совсем «домашнюю» АЗС канадцы рекомендуют строить, комбинируя станцию Fuelmaker с компактным электролизным генератором фирмы Stuart Energy Systems.

Электролиз водыэкологически оптимальный вариант производства, но лишь при наличии дешёвой электроэнергии. Ветряк с электролизером, например, вполне подойдёт. Но где взять столько ветряков?

Широкое распространение водородных авто сдерживает не только их цена, но и главное – отсутствие источников водорода промышленных масштабов и сети водородных заправок.

Для подобных автомобилей требуется и особый сервис. Спроектировать и организовать всё это под силу только крупным инвесторам, например государству. Массово развернуть такую деятельность – значит, вложив очень большие средства, строить новую водородную энергетику. Многие эксперты при нынешнем состоянии дел считают этот путь тупиковым.

В целом применение водорода как топлива – это замкнутый круг «энергия – водород – энергия» с потерями на каждом этапе. В двигателях внутреннего сгорания КПД использования сжатого водорода – 22 процента, жидкого – 17 процентов. Производится водород за счёт тепловой электроэнергии с энергоэффективностью от трети до половины и существенной эмиссией углекислого газа. Так что девять десятых энергии до колёс не доходит и попросту теряется. Для авто с эффективными топливными ячейками вкупе с производством, хранением, конверсией водорода только четверть энергии топлива идёт на перемещение автомобиля. Для электромобилей же эта цифра втрое больше.

Это значит, что новый энергоноситель не может стать конвертируемой энергетической валютой, даже резервной. И всё же водород остаётся особым альтернативным топливом. Его технологии почти готовы для массового применения. И это «почти» превратится во «вполне», если будут найдены пути его эффективного и экологически чистого получения.

Ещё несколько лет назад в ответ на экологические ограничения законодателей автопроизводители заявляли, что они разрабатывают водородные технологии, которые позволят снизить долю токсинов и совокупных выбросов диоксида углерода в атмосферу. При этом молчаливо предполагалось, что мы понимаем, как циркуляция его и других парниковых газов влияет на её свойства, в частности озоновые дыры. Для обывателей была придумана очередная апокалипсическая страшилка. Международные соглашения были подписаны. Прошло время, а озон, вернее его отсутствие, и ныне там. Теперь, правда, новая проблема со старыми дырами – глобальное потепление.

За всеми этими ходами просматриваются денежные интересы. Традиционные двигатели и энергетика кормят многих. Выпуск и разработка доли экологичных авто на законном основании позволяют производить супермощные и суперпопулярные внедорожники и лимузины – показатели-то усредняются по всей линейке продукции. Этот подход теперь называется прагматизмом.

Но в случае водорода всё может измениться, и очень резко. Наука по-прежнему ускоряет развитие цивилизации. Так, в начале мая сообщалось о том, что греческий профессор-химик Констандопулос, руководящий институтом химических процессов в Салониках, выиграл грант Европейского исследовательского совета в размере 1,75 миллиона евро на получение водородного топлива из воды за счёт энергии солнца. Характерно, что ни греческие власти, ни местные олигархи не стремились помогать профессору, который был вынужден даже снижать зарплату своим сотрудникам, и предпочитали выпрашивать инвестиции у Евросоюза. Идея процесса в том, что сфокусированные солнечные лучи нагревают воду, которая разлагается на катализаторах. Пилотный проект станции мощностью в сотню киловатт уже прошёл успешные испытания в Испании. Теперь стоит задача построить реактор в один мегаватт, производящий водород, метан и метанол.

Категории статьи

Спасибо за очень интересные ответы. Мы обязательно опубликуем статистику. Поскольку поток ответов все же мал, пока мы делаем вывод, что наши читатели либо пассивны, либо случайны.

Общее дело

Текущие поступления (на 15 января 2015 года) — 24065.71 руб.

Вы можете сделать свой вклад в развитие российских нанотехнологий.

NanoNewsNet это не бизнес, это работа «за Идею».

Вам нравится NNN, можете помочь, как и мы помогаем всем кто обращается — помогите.

Любые суммы принимаются с благодарностью и идут только на работу и развитие проекта!

Топливные элементы (топливные ячейки)

Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.

Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента – это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.

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

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

Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород — на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2H2 => 4H + + 4e —

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.

Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ).

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

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

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO3 2- ). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, "отравлению", и пр.

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

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

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

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

Реакция на аноде: 2H2 => 4H + + 4e —

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

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.

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

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

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

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

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2 — ). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

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

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

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

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.

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

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

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

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы — самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов — такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

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

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO4 2- позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Источники:
Сайт о нанотехнологиях #1 в России
Водород — самый распространенный химический элемент в нашей Вселенной, атом которого имеют простейшую структуру (как известно, природа не любит сложностей). Кроме того, многие специалисты полагают, что это перспективный и экологически чистый источник энергии будущего. Так ли это на самом деле, мы попытаемся разобраться в рамках настоящей статьи.
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/vodorodnyi-tupik
Топливные элементы (топливные ячейки)
Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции. Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей…
http://www.energy-units.ru/en_units.php

COMMENTS