Паливні елементи – комірка (Fuel Cell). Використання паливних елементів для енергопостачання будівель

Мобільна електроніка з кожним роком, якщо не місяцем, стає все більш доступною і поширеною. Тут вам і ноутбуки, і КПК, і цифрові фотоапарати, і мобільні телефони, і ще маса всяких корисних і не дуже пристроїв. І всі ці пристрої безперервно обзаводяться новими функціями, потужнішими процесорами, великими кольоровими екранами, бездротовим зв'язком, водночас зменшуючись у розмірах. Але, на відміну від напівпровідникових технологій, технології харчування всього цього мобільного звіринця йдуть зовсім не семимильними кроками.

Звичайних акумуляторів і батарей стає явно недостатньо для живлення останніх досягнень електронної індустрії протягом скільки-небудь значного часу. А без надійних та ємних батарей втрачається весь сенс мобільності та бездротовості. Так що комп'ютерна індустрія все активніше та активніше працює над проблемою альтернативних джерел живлення. І найперспективнішим, на сьогоднішній день, напрямом тут є паливні елементи.

Основний принцип роботи паливних елементів було відкрито британським ученим сером Вільямом Гроувом у 1839 році. Він відомий як батько «паливного осередку». Вільям Гроув генерував електрику шляхом зміни для вилучення водню та кисню. Відключивши від електролітичного осередку батарею, Грове з подивом виявив, що електроди почали поглинати газ, що виділився, і виробляти струм. Відкриття процесу електрохімічного "холодного" горіння воднюстала знаменною подія в енергетиці, і надалі такі відомі електрохіміки, як Оствальд та Нернст, відіграли велику роль у розвитку теоретичних основ та практичної реалізації паливних елементів та передбачили їм велике майбутнє.

Сам термін "паливний елемент" (Fuel Cell)з'явився пізніше - він був запропонований в 1889 Людвігом Мондом і Чарльзом Лангером, які намагалися створити пристрій для вироблення електрики з повітря і вугільного газу.

При звичайному горінні у кисні протікає окислення органічного палива, та хімічна енергія палива неефективно переходить у теплову енергію. Але виявилося можливим реакцію окислення, наприклад водню з киснем, провести серед електроліту і за наявності електродів отримати електричний струм. Наприклад, подаючи водень до електрода, що знаходиться в лужному середовищі, отримаємо електрони:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

які, проходячи зовнішнім ланцюгом, надходять на протилежний електрод, до якого надходить кисень і де проходить реакція: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, що результуюча реакція 2H2 + O2 → H2O - така сама, що і при звичайному горінні, але в паливному елементі, або інакше - електрохімічний генератор, Виходить електричний струм з великою ефективністю і частково тепло. Зазначимо, що в паливних елементах як паливо можуть також застосовуватися вугілля, окис вуглецю, спирти, гідразин, інші органічні речовини, а як окислювачі - повітря, перекис водню, хлор, бром, азотна кислота і т.д.

Розвиток паливних елементів енергійно тривало як там, і у Росії, а далі й у СРСР. Серед вчених, які зробили великий внесок у вивчення паливних елементів, відзначимо В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бекона, Е. Бауера, Е. Юсті, К. Кордеша. У середині минулого століття розпочався новий штурм проблем паливних елементів. Частково це пояснюється появою нових ідей, матеріалів та технологій у результаті оборонних досліджень.

Одним із вчених, які зробили великий крок у розвиток паливних елементів, був П. М. Спиридонів. Водень-кисневі елементи Спіридоновадавали щільність струму 30 мА/см2, що на той час вважалося великим досягненням. У сорокові роки О. Давтян створив установку для електрохімічного спалювання генераторного газу, одержуваного газифікацією вугілля. З кожного кубометра об'єму елемента Давтян отримав 5 кВт потужності.

Це був перший паливний елемент на твердому електроліті. Він мав високий ККД, але згодом електроліт став непридатним, і його потрібно було міняти. Згодом Давтян у кінці п'ятдесятих років створив потужну установку, що приводить у рух трактор. У ті ж роки англійський інженер Т. Бекон сконструював і побудував батарею паливних елементів загальною потужністю 6 кВт і ККД 80 %, що працює на чистому водні та кисні, але ставлення потужності до ваги батареї виявилося занадто малим - такі елементи були непридатні для практичного застосування дорогими.

У наступні роки час одинаків минув. Паливними елементами зацікавилися розробники космічних апаратів. З середини 60-х мільйонів доларів вкладалися у дослідження паливних елементів. Робота тисяч вчених та інженерів дозволила вийти на новий рівень, й у 1965г. паливні елементи було випробувано у США на космічному кораблі "Джеміні-5", а надалі - на кораблях "Аполлон" для польотів на Місяць та за програмою "Шатл".

У СРСР паливні елементи розробляли у НВО "Квант", також для використання в космосі. У ті роки вже з'явилися нові матеріали. твердополімерні електроліти на основі іонообмінних мембран, нові типи каталізаторів, електродів І все-таки робоча щільність струму була невеликою - близько 100-200 мА/см2, а зміст платини на електродах - кілька г/см2. Існувало багато проблем, пов'язаних із довговічністю, стабільністю, безпекою.

Наступний етап бурхливого розвитку паливних елементів розпочався у 90-ті роки. минулого століття і продовжується і зараз. Він викликаний потребою в нових ефективних джерелах енергії у зв'язку, з одного боку, з глобальною екологічною проблемою викиду парникових газів, що посилюється, при згорянні органічного палива і, з іншого боку, з вичерпанням запасів такого палива. Оскільки в паливному елементі кінцевим продуктом згоряння водню є вода, вони вважаються найбільш чистими з погляду впливу довкілля. Основна проблема полягає лише у знаходженні ефективного та недорогого способу отримання водню.

Мільярдні фінансові вкладення на розвиток паливних елементів та генераторів водню повинні призвести до технологічного прориву та зроблять реальністю їх використання у повсякденному житті: в елементах для мобільних телефонів, в автомобілях, на електростанціях. Вже нині такі автомобільні гіганти, як "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонструють легкові автомобілі та автобуси, що працюють на паливних елементах потужністю 50 кВт. Поруч компаній розроблено демонстраційні електростанції на паливних елементах із твердооксидним електролітом потужністю до 500 кВт. Але, незважаючи на значний прорив у покращенні характеристик паливних елементів, потрібно вирішити ще багато проблем, пов'язаних із їх вартістю, надійністю, безпекою.

У паливному елементі на відміну від батарей та акумуляторів - і пальне, і окислювач подаються до нього ззовні. Паливний елемент є лише посередником у реакції та в ідеальних умовах міг би працювати практично вічно. Краса цієї технології в тому, що фактично в елементі відбувається спалювання палива і безпосереднє перетворення енергії, що виділяється в електрику. При прямому спалюванні палива воно окислюється киснем, а тепло, що при цьому виділяється, йде на здійснення корисної роботи.

У паливному елементі, як і батарейках, реакції окислення палива і відновлення кисню просторово розділені, і процес "спалювання" протікає, тільки якщо елемент віддає струм у навантаження. Це все одно що дизельний електрогенератор, тільки без дизеля та генератора. А також без диму, шуму, перегріву та з набагато вищим ККД. Останнє пояснюється тим, що, по-перше, немає проміжних механічних пристроїв і, по-друге, паливний елемент не є тепловою машиною і внаслідок цього не підкоряється закону Карно (тобто його ефективність не визначається різницею температур).

Як окислювач у паливних елементах застосовується кисень. Причому оскільки кисню цілком достатньо в повітрі, то хвилюватися про подачу окислювача не треба. Щодо палива, то ним є водень. Отже, у паливному елементі протікає реакція:

2H2 + O2 → 2H2O + електрика + тепло.

У результаті виходить корисна енергія та водяна пара. Найпростішим за своїм пристроєм є паливний елемент із протонообмінною мембраною(Див. малюнок 1). Працює він наступним чином: водень, що потрапляє в елемент, розкладається під дією каталізатора на електрони і позитивно заряджені іони водню H+. Потім в дію вступає спеціальна мембрана, яка виконує роль електроліту в звичайній батарейці. В силу свого хімічного складувона пропускає через себе протони, але затримує електрони. Таким чином, електрони, що скупчилися на аноді, створюють надлишковий негативний заряд, а іони водню створюють позитивний заряд на катоді (напруга на елементі виходить порядку 1В).

Для створення великої потужності паливний елемент збирають з безлічі осередків. Якщо включити елемент у навантаження, то електрони потечуть через неї до катода, створюючи струм і завершуючи окислення водню киснем. Як каталізатор у таких паливних елементах зазвичай застосовуються мікрочастинки платини, нанесені на вуглецеве волокно. Завдяки своїй структурі такий каталізатор добре пропускає газ та електрику. Мембрана зазвичай виробляється з сірковмісного полімеру нафіону. Товщина мембрани дорівнює десятим часткам міліметра. При реакції, звичайно, виділяється і тепло, але його не так багато, так що робоча температура підтримується в області 40-80°С.

Рис.1. Принцип дії паливного елемента

Є й інші типи паливних елементів, переважно відрізняються типом застосовуваного електроліту. Практично всі вони вимагають як паливо водень, тому виникає логічне питання: де його взяти. Звичайно, можна було б вживати стислий водень з балонів, але тут одразу ж виникають проблеми, пов'язані з транспортуванням та зберіганням цього дуже вогненебезпечного газу під великим тиском. Зрозуміло, можна використовувати водень у зв'язаному вигляді як у металгідридних акумуляторах. Але все ж таки залишається завдання його видобутку та транспортування, адже інфраструктури водневих заправок не існує.

Втім, тут теж є рішення – як джерело водню можна застосовувати рідке вуглеводневе паливо. Наприклад, етиловий чи метиловий спирт. Правда, тут уже потрібен спеціальний додатковий пристрій - паливний перетворювач, при високій температурі (для метанолу це буде десь 240 ° С) перетворює спирти суміш газоподібних H2 і CO2. Але в цьому випадку вже складніше думати про портативність - такі пристрої добре застосовувати як стаціонарні або, а ось для компактної мобільної техніки потрібно щось менш громіздке.

І тут ми приходимо саме до того пристрою, розробкою якого зі страшною силою займаються практично всі найбільші виробники електроніки. метаноловому паливному елементу(Малюнок 2).

Рис.2. Принцип дії паливного елемента на метанолі

Принципова різниця між водневим та метанольним толивними елементами полягає у застосовуваному каталізаторі. Каталізатор у метанольному паливному елементі дозволяє відривати протони безпосередньо від молекули спирту. Таким чином, вирішується питання з паливом – метиловий спирт масово виробляється для хімічної промисловості, його легко зберігати та транспортувати, а для зарядки метанолового паливного елемента досить просто замінити картридж із паливом. Щоправда, є один значний мінус – метанол токсичний. До того ж, ефективність метанольного паливного елемента значно нижча, ніж у водневого.

Мал. 3. Метанольний паливний елемент

Найпривабливіший варіант - використовувати як паливо етиловий спирт, благо виробництво та розповсюдження алкогольних напоїв будь-якого складу та міцності добре налагоджено по всій земній кулі. Однак ефективність етанолових паливних елементів, на жаль, ще нижча, ніж у метанолових.

Як уже зазначалося за багато років розробок у галузі паливних елементів, побудовані різні типипаливні елементи. Паливні елементикласифікуються за електролітом та видом палива.

1. Твердополімерні водень-кисневі електролітні.

2. Твердополімерні метанольні паливні елементи.

3. Елементи на лужному електроліті.

4. Фосфорно-кислотні паливні елементи.

5. Паливні елементи на розплавлених карбонатах.

6. Твердооксидні паливні елементи.

В ідеалі ККД паливних елементів дуже високий, але в реальних умовах є втрати, пов'язані з нерівноважними процесами, такими як: омічні втрати внаслідок питомої провідності електроліту та електродів, активаційна та концентраційна поляризація, дифузійні втрати. Внаслідок цього частина енергії, що виробляється в паливних елементах, перетворюється на теплову. Зусилля фахівців спрямовані на зменшення вказаних втрат.

Головним джерелом омічних втрат, а також причиною високої ціни паливних елементів є перфторовані сульфокатіонітні іонообмінні мембрани. Наразі йдуть пошуки альтернативних, дешевших протонпровідних полімерів. Оскільки провідність цих мембран (твердих електролітів) досягає прийнятного значення (10 Ом/см) тільки за наявності води, то гази, що подаються в паливний елемент, треба додатково зволожувати в спеціальному пристроїщо теж викликає подорожчання системи. У каталітичних газодифузійних електродах застосовується, в основному, платина та деякі інші шляхетні метали, і досі їх заміни не знайдено. Хоча вміст платини в паливних елементах становить кілька мг/см2, для великих батарей кількість сягає десятків грамів.

При конструюванні паливних елементів приділяють велику увагу системі тепловідведення, так як при високих щільності струму (до 1А/см2) відбувається саморозігрів системи. Для охолодження застосовують воду, що циркулює в паливному елементі по спеціальних каналах, а при невеликих потужностях - обдув повітрям.

Отже, сучасна система електрохімічного генератора крім самої батареї паливних елементів "обростає" безліччю допоміжних пристроїв, таких як: насоси, компресор для подачі повітря, напуск водню, зволожувач газів, охолоджувальний вузол, система контролю витоку газів, конвертер постійного струмуу змінний, керуючий процесор та інших. Усе це веде до того що, що вартість системи паливних елементів 2004-2005 роках становила 2-3 тис. $/кВт. Згідно з оцінкою експертів, паливні елементи стануть доступними для застосування на транспорті та в стаціонарних енергоустановках за ціною 50-100 $/кВт.

Для введення паливних елементів у повсякденне життя, поряд із здешевленням компонентів, слід очікувати нових оригінальних ідейта підходів. Зокрема, великі надії пов'язують із застосуванням наноматеріалів та нанотехнологій. Наприклад, нещодавно кілька компаній заявили про створення надефективних каталізаторів, зокрема для кисневого електрода на основі кластерів наночастинок з різних металів. Крім того, з'явилися повідомлення про конструкцію паливних елементів без мембран, в яких рідке паливо (наприклад, метанол) подається до паливного елемента разом з окислювачем. Цікавою є також концепція біопаливних елементів, що працюють у забруднених водах і споживають як окислювач розчинений кисень повітря, а органічні домішки як паливо.

За прогнозами фахівців, паливні елементи вийдуть на масовий ринок найближчими роками. Розробники один за одним перемагають технічні проблеми, рапортують про успіхи та репрезентують прототипи паливних елементів. Наприклад, компанія Toshiba продемонструвала готовий прототип метанолового паливного елемента. Він має розмір 22x56x4, 5мм і дає потужність близько 100мВт. Однією заправкою в 2 кубики концентрованого (99,5%) метанолу достатньо на 20 годин роботи МРЗ-плеєра. Toshiba випустила комерційний паливний елемент для живлення мобільних телефонів. Знову ж таки, та ж Toshiba демонструвала елемент для живлення ноутбуків розміром 275x75x40мм, що дає можливість комп'ютеру працювати протягом 5 годин від однієї заправки.

Не відстає від Toshiba та інша японська компанія – Fujitsu. У 2004 році вона також представила елемент, що діє на 30% водному розчині метанолу. Цей паливний елемент працював на одній заправці 300мл протягом 10 годин і при цьому видавав потужність 15 Вт.

Casio розробляє паливний елемент, в якому метанол спочатку переробляється в суміш газоподібних H2 і CO2 мініатюрному паливному перетворювачі, а потім вже подається в паливний елемент. Під час демонстрації прототип Casio забезпечував енергією ноутбук протягом 20 годин.

Компанія Samsung також відзначилася на ниві паливних елементів - у 2004 році вона демонструвала свій прототип потужністю 12 Вт, призначений для живлення ноутбука. Взагалі ж, Samsung передбачає застосування паливних елементів, насамперед, у смартфонах четвертого покоління.

Треба сказати, що японські компанії взагалі дуже докладно підійшли до розробки паливних елементів. Ще в 2003 році такі компанії як Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony і Toshiba об'єднали зусилля з тим, щоб розробити єдиний стандарт паливних елементів для ноутбуків, мобільних телефонів, КПК та інших. електронних пристроїв. Американські ж компанії, яких теж чимало на цьому ринку, здебільшого працюють за контрактами з військовими та розробляють паливні елементи для електрифікації американських солдатів.

Не відстають і німці – компанія Smart Fuel Cell продає паливні елементи для живлення мобільного офісу. Пристрій називається Smart Fuel Cell C25, має габарити 150x112x65мм і може видавати до 140 ват-годин на одній заправці. Цього достатньо для живлення ноутбука приблизно 7 годин. Потім картридж можна замінити та можна працювати далі. Розмір картриджа з метанолом 99×63×27 мм, а важить він 150г. Сама система важить 1,1 кг, так що зовсім вже портативної її не назвеш, але все ж таки це цілком закінчений і зручний пристрій. Також компанія розробляє паливний модульдля живлення професійних відеокамер

Загалом паливні елементи вже практично вийшли на ринок мобільної електроніки. Виробникам залишилося вирішити останні технічні завдання, перш ніж розпочати масовий випуск.

По-перше, необхідно вирішити питання з мініатюризацією паливних елементів. Адже чим менший паливний елемент, тим меншу потужність він зможе видавати - так що постійно розробляються нові каталізатори та електроди, що дозволяють за малих розмірів максимально збільшити робочу поверхню. Тут якраз дуже до речі припадають останні розробкив області нанотехнологій та наноматеріалів (наприклад, нанотрубки). Знову ж таки, для мініатюризації обв'язування елементів (паливних та водяних насосів, систем охолодження та перетворення палива) все ширше починають застосовуватися досягнення мікроелектромеханіки.

Друга важлива проблема, яка потребує вирішення – це ціна. Адже як каталізатор у більшості паливних елементів застосовується дуже дорога платина. Знову ж таки, деякі з виробників намагаються максимально використовувати вже добре відпрацьовані кремнієві технології.

Що стосується інших областей використання паливних елементів, то паливні елементи там вже досить міцно влаштувалися, хоча поки що не стали мейнстримом ні в енергетиці, ні на транспорті. Вже багато виробники автомобілів представили свої концепт-кари з харчуванням від паливних елементів. У кількох містах світу їздять автобуси на паливних елементах. Канадська Ballard Power Systems випускає низку стаціонарних генераторів потужністю від 1 до 250 кВт. При цьому кіловатні генератори розраховані на те, щоб відразу постачати одну квартиру електрикою, теплом і гарячою водою.

Фахівці в галузі енергетики зазначають, що у більшості розвинених країн швидко зростає інтерес до розосереджених джерел енергії порівняно малої потужності. Головні переваги цих автономних енергоустановок – помірні капітальні витрати при будівництві, швидке введення в експлуатацію, порівняно просте обслуговування та хороші екологічні характеристики. При автономній системі електропостачання не потрібно вкладень у лінії електропередач та підстанції. Розташування автономних джерел енергії у місцях споживання як позбавляє від втрат у мережах, а й підвищує надійність електропостачання.

Добре відомі такі автономні джерела енергії, як малі ГТУ ( газотурбінні установки), двигуни внутрішнього згоряння, вітроустановки та сонячні батареїна напівпровідниках.

На відміну від двигунів внутрішнього згоряння або турбін, що працюють на вугіллі/газі, паливні елементи не спалюють паливо. Вони перетворюють хімічну енергію палива на електрику з допомогою хімічної реакції. Тому паливні елементи не виробляють великої кількості парникових газів, що виділяються при згорянні палива, таких як двоокис вуглецю (CO2), метан (CH4) та окис азоту (NOx). Викиди з паливних елементів являють собою воду у формі пари і низькі рівні двоокису вуглецю (або викидів CO2 немає взагалі), якщо як паливо для елементів використовується водень. Крім того, паливні елементи працюють безшумно, тому що вони не включають галасливі ротори високого тиску і при їх експлуатації відсутні шуми вихлопних газів та вібрація.

Паливний елемент перетворює хімічну енергію палива в електрику за допомогою хімічної реакції з киснем або іншою речовиною, що окислює. Паливні елементи складаються з анода ( негативна сторона), катода ( позитивна сторона) та електроліту, який забезпечує переміщення зарядів між двома сторонами паливного елемента (Малюнок: Принципова схемапаливних елементів).

Електрони переміщаються від анода до катода через зовнішній контур, створюючи електрику постійного струму. У зв'язку з тим, що основною відмінністю різних типів паливних елементів є електроліт, паливні елементи поділяються на кшталт використовуваного електроліту, тобто. високотемпературні та низькотемпературні паливні елементи (ТЕПМ, ПМТЕ). Водень є найбільш поширеним паливом, але іноді також можуть використовуватися вуглеводні, такі як природний газ та спирти (тобто метанол). Паливні елементи відрізняються від акумуляторів тим, що для них потрібне постійне джерело палива та кисню/повітря для підтримки хімічної реакції, і вони виробляють електроенергію доти, доки їх подача здійснюється.

Паливні елементи мають наступні перевагив порівнянні зі звичайними джерелами енергії, такими як двигуни внутрішнього згоряння або акумулятори:

• Паливні елементи мають більшу ефективність, ніж дизельні або газові двигуни.
• Більшість паливних елементів працює безшумно, якщо порівнювати їх із двигунами внутрішнього згоряння. Тому вони придатні для будівель з особливими вимогами, наприклад лікарні.
• Паливні елементи не призводять до забруднення, що викликається паливом, що спалюється викопним; наприклад, побічним продуктом паливних елементів, що працюють на водні, є лише вода.
• Якщо водень виходить внаслідок електролізу води, що забезпечується відновлюваним джерелом енергії, то при використанні паливних елементів парниковий газ не виділяється протягом усього циклу.
• Для паливних елементів не потрібне звичайне паливо, таке як нафта або газ, тому можна позбутися економічної залежності від країн-виробників нафти та забезпечити велику енергетичну безпеку.
• Паливні елементи не залежать від енергомереж, тому що водень може вироблятися в будь-якому місці, де є вода та електроенергія, і може розподілятися паливо, що виробляється.
• При застосуванні стаціонарних паливних елементів для виробництва енергії в точці споживання можна використовувати децентралізовані енергомережі, які потенційно більш стабільні.
• Низькотемпературні паливні елементи (ТЕПМ, ПМТЕ) мають низький рівеньпередачі тепла, що робить їх ідеальними для різноманітного застосування.
• Паливні елементи з вищою температурою виробляють високоякісну технологічну теплову енергію разом з електрикою, і вони добре підходять для когенерації (такі як спільне виробництвотеплової та електричної енергії для житлових будинків).
• Час роботи значно більший, ніж час роботи акумуляторів, оскільки для збільшення часу роботи потрібна лише більша кількість палива, а підвищення продуктивності установки не потрібне.
• На відміну від акумуляторів, паливні елементи мають «ефект запам'ятовування» при заправці.
• Технічне обслуговування паливних елементів є простим, оскільки вони мають великих рухомих частин.

Найбільш поширеним паливом для паливних елементів є водень, тому що він не виробляє викидів шкідливих забруднюючих речовин. Однак можуть використовуватися інші види палива, і паливні елементи, що працюють на природному газі, вважаються ефективним альтернативним варіантом, коли природний газ доступний за конкурентоспроможними цінами. У паливних елементах потік палива та окислювачів проходить через електроди, які розділені електролітом. Це викликає хімічну реакцію, у результаті якої виробляється електроенергія; при цьому не потрібно спалювати паливо або додавати теплову енергію, що зазвичай має місце при традиційних способах виробництва електроенергії. При використанні як палива природного чистого водню, а як окислювач кисню, в результаті реакції, що відбувається в паливному елементі, виробляються вода, теплова енергія та електроенергія. При використанні інших видів палива паливні елементи виділяють дуже низький рівень викидів забруднюючих речовин та виробляють високоякісну надійну електроенергію.

Переваги паливних елементів, що працюють на природному газі, є такими:

• Переваги для довкілля- Паливні елементи є чистим методом виробництва електроенергії з викопного палива. Тим часом як паливні елементи, що працюють на чистому водні та кисні, виробляють тільки воду, електроенергію та теплову енергію; інші типи паливних елементів виділяють мізерно мала сірчаних сполук і дуже низький рівень двоокису вуглецю. Однак двоокис вуглецю, що виділяється паливними елементами, є концентрованою, і її легко можна утримувати замість викидати в атмосферу.
• Ефективність- Паливні елементи перетворюють енергію, що є у викопному паливі, в електроенергію набагато ефективніше, ніж традиційні способи виробництва електрики зі спалюванням палива. Це означає, що для виробництва однакової кількості електроенергії потрібно менше палива. За оцінкою Національної лабораторії енергетичних технологій 58 можуть випускатися паливні елементи (у комбінації з турбінами, що працюють на природному газі), які будуть працювати в діапазоні потужності від 1 до 20 МВте з ККД 70%. Цей ККД набагато вищий, ніж ККД, який може досягатися за допомогою традиційних методів виробництва енергії у вказаному діапазоні потужності.
• Виробництво з розподілом- паливні елементи можуть випускатися дуже малих розмірів; це дозволяє розміщувати їх у тих місцях, де потрібна електроенергія. Це стосується установок для житлових, комерційних, промислових будівель і навіть транспортних засобів.
• Надійність- Паливні елементи є повністю закритими пристроями без рухомих частин та складного машинного обладнання. Це робить їх надійними джерелами електроенергії, здатними працювати багато годин. Крім того, вони є майже безшумними та безпечними джерелами електроенергії. Також у паливних елементах немає стрибків електрики; це означає, що їх можна використовувати в тих випадках, коли потрібен працюючий, надійний джерело електроенергії.

До останнього часу менш популярними були паливні елементи (ТЕ), що являли собою електрохімічні генератори, здатні перетворити хімічну енергію на електричну, минаючи процеси горіння, перетворення теплової енергії на механічну, а останньої - на електроенергію. Електрична енергія утворюється в паливних елементах завдяки хімічній реакції між відновником та окислювачем, які безперервно надходять до електродів. Відновником найчастіше є водень, окислювачем - кисень чи повітря. Сукупність батареї паливних елементів та пристроїв для подачі реагентів, відведення продуктів реакції та тепла (яке може утилізуватися) є електрохімічним генератором.
В останнє десятиліття XX століття, коли питання надійності електропостачання та екологічні проблеми набули особливо важливого значення, багато фірм у Європі, Японії та США розпочали розробку та виробництво кількох варіантів паливних елементів.
Найбільш простими є лужні паливні елементи, з яких розпочалося освоєння цього виду автономних джерел енергії. Робоча температурау цих ТЕ становить 80-95°С, електролітом є 30%-ний розчин їдкого калію. Працюють лужні ПЕ на чистому водні.
Останнім часом велике поширенняотримав паливний елемент РЄМ з мембранами протонного обміну (з полімерним електролітом). Робоча температура в цьому процесі - також 80-95 ° С, але як електроліт використовується тверда іонообмінна мембрана з перфторсулфокислотою.
За загальним визнанням, найбільш привабливим у комерційному плані є паливний елемент із фосфорною кислотою PAFC, у якого ККД із вироблення тільки електроенергії досягає 40%, а при використанні виділеного тепла -85%. Робоча температура цього ТЕ 175—200°С, електроліт - рідка фосфорна кислота, що просочує карбід кремнію, пов'язаний тефлоном.

Пакет елемента забезпечений двома пористими графітовими електродами і орто-фосфорною кислотою в якості електроліту. Електроди вкриті платиновим каталізатором. У реформері природний газ при взаємодії з парою переходить у водень та СО, який доокислюється до СО2 у конверторі. Далі молекули водню під впливом каталізатора дисоціюють на аноді на іони Н. Електрони, звільнені в цій реакції, прямують через навантаження до катода. На катоді вони реагують з іонами водню, що дифундують через електроліт, і з іонами кисню, які утворюються в результаті каталітичної реакції окиснення кисню повітря на катоді, утворюючи зрештою воду.
До перспективних видів паливних елементів відноситься також ТЕ із розплавленим карбонатом типу MCFC. Цей ТЕ під час роботи на метані має ККД з електроенергії 50-57%. Робоча температура 540-650 ° С, електроліт - розплавлений карбонат калієвої та натрієвої лугів в оболонці - матриці з літій-алюмінієвого оксиду LiA102.
І, нарешті, найперспективніший паливний елемент – SOFC. Це твердооксидний паливний елемент, який використовує будь-яке газоподібне паливо та найбільш придатний для порівняно великих установок. Його ККД з електроенергії становить 50-55%, а при використанні в установках комбінованого циклу - до 65%. Робоча температура 980-1000 ° С, електроліт - твердий цирконій, стабілізований ітрієм.

На рис. 2 показана батарея SOFC з 24 елементів, розроблена фахівцями з корпорації Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Німеччина). Ця батарея є основою електрохімічного генератора, що працює на природному газі. Перші демонстраційні випробування енергоустановки такого типу потужністю 400 Вт були проведені ще 1986 р. У наступні роки вдосконалювалася конструкція твердооксидних паливних елементів та збільшувалася їхня потужність.

Найбільш успішними були демонстраційні випробування установки потужністю 100 кВт, зданої в експлуатацію у 1999 р. Енергоустановка підтвердила можливість отримання електроенергії з високим ККД (46%), а також показала високу стабільність характеристик. Тим самим було доведено можливість експлуатації енергоустановки не менше ніж 40 тис. годин при допустимому падінні її потужності.

У 2001 р. було розроблено нову енергоустановку на твердооксидних елементах, що працює при атмосферному тиску. Батарея (електрохімічний генератор) потужністю енергоустановки 250 кВт з комбінованим виробленням електроенергії і тепла включала 2304 твердооксидних трубчастих елемента. Крім того, до складу установки входили інвертор, регенератор, підігрівач палива (природного газу), камера згоряння для підігріву повітря, теплообмінник для підігріву води за рахунок тепла газів, що йдуть, та інше допоміжне обладнання. При цьому габаритні розміри установки були помірними: 2,6x3,0x10,8 м.
Певних успіхів у створенні великих паливних елементів досягли японські фахівці. Дослідницькі роботи було розпочато у Японії ще 1972 р., але значних успіхів було досягнуто лише у середині 90-х. Досвідчені модулі паливних елементів мали потужність від 50 до 1000 кВт, причому 2/3 їх працювали на природному газі.
У 1994 р. у Японії було споруджено установку з паливними елементами потужністю 1 МВт. При загальному ККД (з виробленням пари та гарячої води), що дорівнює 71%, установка мала ККД з відпуску електроенергії не менше 36%. З 1995 р., за повідомленнями преси, в Токіо експлуатується енергоустановка на паливних елементах із фосфорною кислотою потужністю 11 МВт, а загальна потужністьвипущених паливних елементів до 2000 досягла 40 МВт.

Усі перелічені вище установки відносяться до класу промислових. Їхні розробники постійно прагнуть підвищення потужності агрегатів, щоб поліпшити вартісні характеристики (питомі витрати на кВт встановленої потужності і вартість виробленої електроенергії). Але є кілька компаній, які ставлять інше завдання: розробити найпростіші установки для побутового споживання, зокрема індивідуальні джерела електроживлення. І в цій галузі є суттєві досягнення:

• компанія Plug Power LLC розробила встановлення на паливних елементах потужністю 7 кВт для енергопостачання будинку;
• корпорація Н Power випускає зарядні агрегати, що використовуються на транспорті, для акумуляторів потужністю 50-100 Вт;
• компанія Intern. Fuel Cells LLC випускає установки для транспорту та персональні джерела живлення потужністю 50-300 Вт;
• корпорація Analytic Power розробила на замовлення армії США персональні джерела живлення потужністю 150 Вт, а також установки на паливних елементах для домашнього енергопостачання потужністю від 3 до 10 кВт.

У чому полягають переваги паливних елементів, які спонукають численні компанії вкладати величезні кошти на їх розробку?
Крім високої надійностіелектрохімічні генератори мають високий ККД, що вигідно відрізняє їхню відмінність від паротурбінних установок і навіть від установок з ГТУ простого циклу. Важливою перевагою паливних елементів є зручність їх використання як розосереджених джерел енергії: модульна конструкція дозволяє послідовно поєднати будь-яку кількість окремих елементів з утворенням батареї - ідеальна якість для нарощування потужності.

Але найважливішим аргументом на користь паливних елементів є екологічні характеристики. Викиди NOX і СО на цих установках настільки малі, що, наприклад, окружні Управління якості повітря в регіонах (де норми екологічного контролю є найбільш жорсткими в США) навіть не згадують це обладнання у всіх вимогах, що стосуються захисту атмосфери.

Численні переваги паливних елементів, на жаль, не можуть в даний час переважити їх єдиний недолік - високу вартість, США, наприклад, питомі капітальні витрати на спорудження енергоустановки навіть з найбільш конкурентоспроможними паливними елементами становлять приблизно 3500 дол./кВт. І хоча уряд надає субсидію у розмірі 1ООО дол./кВт, щоб стимулювати попит на цю технологію, вартість спорудження таких об'єктів залишається достатньо високою. Особливо при порівнянні з капітальними витратами на будівництво міні-ТЕЦ з ГТУ або з двигунами внутрішнього згоряння мегаватного діапазону потужності, які становлять приблизно 500 дол./кВт.

У Останніми рокаминамітився певний прогрес у справі зниження витрат за установки з ТЕ. Спорудження енергоустановок із ТЕ на базі фосфорної кислоти потужністю 0,2-1,0 МВт, про які згадувалося вище, обійшлося у 1700 дол./кВт. Вартість виробництва енергії на таких установках у Німеччині під час використання їх протягом 6000 год на рік за розрахунками становить 7,5-10 центів/кВт-год. Установка РС25 потужністю 200 кВт, яку експлуатує енергокомпанія Hessische EAG (Дарм-штадт), також має непогані економічні показники: вартість електроенергії, включаючи амортизаційні відрахування, витрати на паливо та обслуговування установки в сумі становили 15 центів/кВт-год. Цей показник для ТЕС на бурому вугіллі становив в енергокомпанії 5,6 цента/кВт-год, на кам'яному вугіллі - 4,7 цента/кВт-год, для парогазових установок - 4,7 цента/кВт-ч і для дизельних електростанцій- 10,3 цента/кВт-год.

При спорудженні більшої установки на паливних елементах (N=1564 кВт), що працює з 1997 р. у Кельні, були потрібні питомі капітальні витрати в кількості 1500-1750 дол./кВт, але вартість власне паливних елементів становила лише 400 дол./кВт

Все вищевикладене показує, що паливні елементи – це перспективний вигляденерговиробного обладнання як для промисловості, так і для автономних установок комунально-побутового сектору. Високий ККД використання газу та чудові екологічні характеристики дають підстави вважати, що після вирішення найважливішого завдання – зниження вартості – цей вид енергетичного обладнання буде затребуваний на ринку. автономних системтепло- та електропостачання.

Паливний елемент- що це таке? Коли та як він з'явився? Навіщо вона потрібна і чому про них у наш час так часто говорять? Які його область застосування, властивості та характеристики? Нестримний прогрес потребує відповіді на всі ці питання!

Що таке паливний елемент?

Паливний елемент- це хімічне джерело струму або електрохімічний генератор, пристрій для перетворення хімічної енергії в електричну. У сучасному житті хімічні джереластруму використовуються повсюдно і є акумуляторами мобільних телефонів, ноутбуків, КПК, а також акумуляторними батареями в автомобілях, джерелах безперебійного живлення і т.п. Наступним етапом розвитку даної галузі буде повсюдне поширення паливних елементів і це вже ніким незаперечний факт.

Історія паливних елементів

Історія паливних елементів - це ще одна історія про те, як колись відкриті на Землі властивості речовини знайшли широке застосування далеко в космосі, а на рубежі тисячоліть повернулися з неба на Землю.

Все почалося 1839 року, коли німецький хімік Крістіан Шенбейн опублікував принципи роботи паливного елемента у «Філософському журналі». Цього ж року англієць, випускник Оксфорда, Вільям Роберт Гроув сконструював гальванічний елемент, згодом названий гальванічним елементом Гроува, він визнаний першим паливним елементом. Сама назва "паливний елемент" була подарована винаходу на рік його ювілею - 1889 року. Людвіг Монд та Карл Лангер - автори терміна.

Трохи раніше, в 1874 р., Жуль Верн у романі «Таємничий острів» передбачив нинішню енергетичну ситуацію, написавши, що «Вода одного прекрасного дня буде використовуватися як паливо, застосовуватимуться водень і кисень, з яких вона складається».

Тим часом, нова технологія електропостачання поступово вдосконалювалася, а починаючи з 50-х років XX століття вже й року не проходило без анонсів нових винаходів у цій галузі. У 1958 року у США з'явився перший трактор, працюючий на паливних елементах, 1959г. побачив світ 5кВт-ный джерело живлення для зварювальної машини, тощо. У 70-х роках водневі технології злетіли в космос: з'явилися літаки та ракетні двигунина водні. У 60-х роках РКК "Енергія" розробляла паливні елементи для радянської місячної програми. Програма "Буран" також не обійшлася без них: були розроблені лужні 10кВт-ні паливні елементи. А ближче до кінця століття паливні елементи перетнули нульову висоту над рівнем моря – на їх основі розроблено електропостачаннянімецький підводний човен. Повертаючись на Землю, 2009 року в США запустили в експлуатацію перший локомотив. Звичайно, на паливних елементах.

У всій прекрасній історії паливних елементів цікаво те, що колесо, як і раніше, залишається винаходом людства, що не має аналогів у природі. Справа в тому, що за своїм устроєм та принципом дії паливні елементи аналогічні біологічній клітині, яка, по суті, є мініатюрним воднево-кисневим паливним елементом. У результаті людина вкотре винайшла те, чим природа користується вже мільйони років.

Принцип роботи паливних елементів

Принцип роботи паливних елементів очевидний навіть із шкільної програми з хімії і саме він був закладений у дослідах Вільяма Гроува 1839 року. Справа в тому, що процес електролізу води (дисоціації води) є оборотним.Як правильно те, що, при пропущенні електричного струму через воду, остання розщеплюється на водень і кисень, так правильно і зворотне: водень і кисень можна з'єднати з отриманням води та електрики. У досвіді Гроува два електроди розміщувалися в камері, в яку подавалися під тиском обмежені порції чистого водню та кисню. Через невеликі обсяги газу, а також завдяки хімічним властивостям вугільних електродів у камері відбувалася повільна реакція з виділенням тепла, води і, найголовніше, з утворенням різниці потенціалів між електродами.

Найпростіший паливний елемент складається із спеціальної мембрани, яка використовується як електроліт, по обидва боки якої нанесені порошкоподібні електроди. Водень надходить однією сторону (анод), а кисень (повітря) - іншу (катод). На кожному електроді відбуваються різні хімічні реакції. На аноді водень розпадається на суміш протонів та електронів. У деяких паливних елементах електроди оточені каталізатором, зазвичай виконаним із платини або інших шляхетних металів, що сприяють перебігу реакції дисоціації:

2H 2 → 4H + + 4e -

де H 2 - Двоатомна молекула водню (форма, в якій водень присутній у вигляді газу); H+ - іонізований водень (протон); е - електрон.

З катодного боку паливного елемента протони (що пройшли через електроліт) і електрони (які пройшли через зовнішнє навантаження) возз'єднуються і вступають у реакцію з киснем, що подається на катод, з утворенням води:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Сумарна реакціяу паливному елементі записується так:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

p align="justify"> Робота паливного елемента заснована на тому, що електроліт пропускає через себе протони (у напрямку до катода), а електрони - ні. Електрони рухаються до катода по зовнішньому контуру. Це рух електронів і є електричний струм, який може бути використаний для приведення в дію зовнішнього пристрою, приєднаного до паливного елемента (навантаження, наприклад, лампочка):

У своїй роботі паливні елементи використовують водневе паливо та кисень. Найпростіше з киснем - він забирається з повітря. Водень може подаватися безпосередньо з певної ємності або виділення його із зовнішнього джерела палива (природного газу, бензину або метилового спирту - метанолу). У разі зовнішнього джерела його необхідно хімічно перетворити, щоб витягти водень. В даний час більшість технологій паливних елементів, що розробляються для портативних пристроїв, використовують саме метанол.

Характеристики паливних елементів

Паливні елементи є аналогами акумуляторів у тому сенсі, що в обох випадках електрична енергія виходить з хімічної. Але є й важливі відмінності:

• вони працюють тільки поки паливо і окислювач надходять від зовнішнього джерела (тобто вони не можуть накопичувати електричну енергію),

  хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється (паливний елемент не потребує перезарядки),

  вони повністю незалежні від електрики (у той час як звичайні акумуляторизапасають енергію із електромережі).

Кожен паливний елемент створює напруга в 1В. Більша напруга досягається послідовним з'єднанням. Збільшення потужності (струму) реалізується через паралельне з'єднаннякаскадів із послідовно з'єднаних паливних елементів.

У паливних елементів немає жорсткого обмеження на ККД, як у теплових машин(ККД циклу Карно є максимально можливим ККД серед усіх теплових машин з такою самою мінімальною та максимальною температурами).

Високий ККДдосягається завдяки прямому перетворенню енергії палива на електроенергію. Якщо в дизель-генераторних установках паливо спочатку спалюється, отримана пара або газ обертає турбіну або вал двигуна внутрішнього згоряння, які обертають електричний генератор. Результатом стає ККД максимум у 42%, частіше ж становить близько 35-38%. Більш того, через безліч ланок, а також через термодинамічні обмеження за максимальним ККД теплових машин, існуючий ККД навряд чи вдасться підняти вище. У існуючих паливних елементів ККД складає 60-80%,

ККД майже не залежить від коефіцієнта завантаження,

Ємність у кілька разів вища, ніж у існуючих акумуляторах,

Повне відсутність екологічно шкідливих викидів. Виділяється тільки чиста водяна пара і теплова енергія (на відміну від дизельних генераторів, що мають забруднюючі довкілля вихлопи і потребують їх відведення).

Види паливних елементів

Паливні елементи класифікуютьсяза такими ознаками:

з використовуваного палива,

по робочому тиску та температурі,

характером застосування.

Загалом виділяють такі типи паливних елементів:

Твердооксидний паливний елемент (Solid-oxide fuel cells – SOFC);

Паливний елемент із протонообмінною мембраною (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);

Оборотний паливний елемент (Reversible Fuel Cell - RFC);

Прямий метанольний паливний елемент (Direct-methanol fuel cell – DMFC);

Розплавний карбонатний паливний елемент (Molten-carbonate fuel cells – MCFC);

Фосфорнокислий паливний елемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);

Лужний паливний елемент (Alkaline fuel cells – AFC).

Одним з типів паливних елементів, що працюють при нормальних температурах та тисках з використанням водню та кисню, є елементи з іонообмінною мембраною. Вода, що утворюється, не розчиняє твердий електроліт, стікає і легко відводиться.

Проблеми паливних елементів

Головна проблема паливних елементів пов'язана з необхідністю наявності "упакованого" водню, який можна було б вільно придбати. Очевидно, проблема має вирішитися з часом, але поки ситуація викликає легку посмішку: що первинне – курка чи яйце? Паливні елементи ще настільки розвинені, щоб будувати водневі заводи, але їх прогрес немислимий без цих заводів. Тут же наголосимо на проблемі джерела водню. На даний момент водень одержують із природного газу, але підвищення вартості енергоносіїв підвищить і ціну водню. При цьому у водні з природного газу неминуче присутність CO і H 2 S (сірководень), які отруюють каталізатор.

Поширені платинові каталізатори використовують дуже дорогий і непоправний у природі метал – платину. Однак цю проблему планується вирішити використанням каталізаторів на основі ферментів, що є дешевою і легкопродукованою речовиною.

Проблемою є і тепло, що виділяється. Ефективність різко зросте, якщо генероване тепло направити в корисне русло - виробляти теплову енергію для системи теплопостачання, використовувати як непридатне тепло в абсорбційних холодильних машинахі т.п.

Паливні елементи на метанолі (DMFC): реальне застосування

Найвищий практичний інтерес на сьогоднішній день є паливними елементами прямої дії на основі метанолу (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, що працює на паливному елементі DMFC, виглядає наступним чином:

Типова схема DMFC-елемента містить, крім анода, катода та мембрани, кілька додаткових комплектуючих: картридж із паливом, датчик метанолу, насос для циркуляції палива, повітряний насос, теплообмінник тощо.

Час роботи, наприклад, ноутбука в порівнянні з акумуляторами планується збільшити у 4 рази (до 20 годин), мобільного телефону – до 100 годин в активному режимі та до півроку в режимі очікування. Підзарядка буде здійснюватися додаванням порції рідкого метанолу.

Основним завданням є пошук варіантів використання розчином метанолу з найвищою концентрацією. Проблема в тому, що метанол - досить сильна отрута, смертельна в дозах від кількох десятків грамів. Але концентрація метанолу безпосередньо впливає тривалість роботи. Якщо раніше застосовувався 3-10% розчин метанолу, то вже з'явилися мобільні телефони та КПК з використанням 50% розчину, а в 2008 році в лабораторних умовах фахівцями MTI MicroFuel Cells і, трохи пізніше, Toshiba отримані паливні елементи, що працюють на чистий метанол.

За паливними елементами – майбутнє!

Зрештою, про очевидність великого майбутнього паливних елементів говорить той факт, що міжнародна організація IEC (International Electrotechnical Commission), яка визначає індустріальні стандарти для електронних пристроїв, вже оголосила про створення робочої групи для розробки міжнародного стандарту мініатюрних паливних елементів.

Традиційний двигун внутрішнього згоряння (ДВС) має низку істотних недоліків, що змушує вчених шукати йому гідну заміну. Найпопулярнішим варіантом подібної альтернативи є електродвигун, проте він не єдиний, хто може скласти конкуренцію ДВЗ. У цій статті йтиметься про водневий мотор, який по праву вважається майбутнім автомобілебудування і може вирішити проблему зі шкідливими викидами та дорожнечею палива.

коротка історія

Незважаючи на те, що безпека навколишнього середовища тільки зараз стала масовою проблемою, про зміну стандартного двигуна внутрішнього згоряння вчені замислювалися і раніше. Так, двигун, що працює на водні, «побачив світ» ще в 1806 році, чому посприяв французький винахідник Франсуа Ісаак де Ріваз (він виробляв водень за допомогою електролізу води).

Пройшло кілька десятків років, і в Англії видали перший патент на водневий двигун (1841), а в 1852 німецькі вчені сконструювали ДВС, який міг працювати на повітряно-водневої суміші.

Трохи згодом, у часи блокади Ленінграда, коли бензин був дефіцитним продуктом, а водень був у досить великій кількості, технік Борис Шеліщ запропонував використовувати для роботи загороджувальних аеростатів повітряно-водневу суміш. Після цього на водневе харчування перевели всі ДВЗ лебідок аеростатів, а загальна кількість машин, що працюють на водні, досягала 600 одиниць.

У першій половині ХХ століття інтерес громадськості до водневих двигунів був невеликим, але з приходом паливно-енергетичної кризи 70-х років ситуація різко змінилася. Зокрема, в 1879 році компанія BMW випустила перший автомобіль, який цілком успішно їздив воднем (без вибухів і водяної пари, що виривається з вихлопної труби).

Слідом за BMW, в цьому напрямку почали працювати інші великі автовиробники, і до кінця минулого століття практично кожна автокомпанія, що поважає себе, вже мала концепцію розробки машини на водневому паливі. Тим не менш, із закінченням нафтової кризи зник і інтерес громадськості до альтернативних джерел палива, хоча в наш час він знову починає прокидатися, що підігрівається захисниками екології, що борються за зниження токсичності вихлопних газів автомобілів.

Більше того, ціни на енергоносії та бажання набути паливну незалежність лише сприяють проведенню теоретичних та практичних досліджень вченими багатьох країн світу. Найактивнішими є компанії BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Цікавий факт! Водень – найпоширеніший елемент у Всесвіті, але знайти його у чистому вигляді на нашій планеті буде дуже непросто.

Принцип роботи та типи водневого двигуна

Основною відмінністю водневої установки від традиційних двигунівє спосіб подачі паливної рідини та подальше займання робочої суміші. При цьому принцип трансформації зворотно-поступальних рухів кривошипно-шатунного механізму корисну роботузалишається незмінним. Враховуючи, що горіння нафтового палива відбувається досить повільно, паливно-повітряна сумішнаповнює камеру згоряння раніше, ніж поршень займе своє крайнє верхнє положення(Так звану верхню мертву точку).

Стрімка реакція водню дає можливість зрушити час упорскування ближче до того моменту, коли поршень починає повертатися до нижньої мертвої точки. Слід зазначити, що тиск у паливній системі не обов'язково буде високим.

Якщо водневому двигуну створити ідеальні робочі умови, він може мати паливну системуживлення закритого типу, коли процес сумішоутворення проходитиме без участі атмосферних повітряних потоків. У такому випадку після такту стиснення в камері згоряння залишається водяна пара, яка, проходячи через радіатор, конденсується і знову перетворюється на звичайну воду.

Однак застосування такого виду пристрою можливе лише тоді, коли на транспортному засобі є електролізер, що відокремлює водень від води для повторної реакції з киснем. на Наразідосягти таких результатів дуже складно. Для стабільної роботи двигунів застосовується , яке випаровування є частиною вихлопних газів.

Тому безпроблемний запуск силової установки та її стійка робота на гримучому газі без використання атмосферного повітря – поки що неможливе завдання. Розрізняють два варіанти автомобільних водневих установок:агрегати, що функціонують на основі водневих паливних елементів, та водневі двигуни внутрішнього згоряння.

Силові установки на основі водневих паливних елементів

p align="justify"> В основі принципу роботи паливних елементів лежать фізико-хімічні реакції. По суті, це ті ж свинцеві акумуляторні батареї, Ось тільки коефіцієнт корисної дії паливного елемента дещо вищий, ніж АКБ, і становить близько 45% (іноді більше).

У корпус воднево-кисневого паливного елемента вміщена мембрана (проводить тільки протони), що розділяє камеру з анодом та камеру з катодом. У камеру з анодом надходить водень, а камеру катода – кисень. Кожен електрод наперед покривають шаром каталізатора, у ролі якого нерідко виступає платина. За його впливу молекулярний водень починає втрачати електрони.

У цей час протони проходять через мембрану до катоду і під впливом того ж каталізатора з'єднуються з електронами, що надходять зовні. В результаті реакції утворюється вода, а електрони з камери анода переміщуються в електроланцюг, приєднаний до двигуна. Простіше кажучи, ми отримуємо електричний струм, який живить двигун.

Водневі двигуни на основі паливних елементів сьогодні використовуються на автомобілях «Нива», оснащених енергоустановкою «Антел-1», та на машинах «Лада 111» з агрегатом «Антел-2», які були розроблені уральськими інженерами.У першому випадку одного заряду вистачає на 200 км, тоді як у другому – на 350 км.

Слід зазначити, що через дорожнечу металів (паладію та платину), що входять до конструкції таких водневих двигунів, подібні установки мають дуже велику вартість, що істотно збільшує і ціну транспортного засобу, на якому вони встановлені.

А чи знаєте ви?Фахівці компанії Toyotaпочали працювати із технологією паливних елементів ще 20 років тому. Приблизно тоді стартував і проект гібридного автомобіля Prius.

Водневі двигуни внутрішнього згоряння

Даний тип силових установок дуже схожий на поширені сьогодні мотори на пропані, тому щоб перейти з пропану на водневе паливо, досить просто переналаштувати двигун. Вже існує чимало прикладів такого переходу, але треба сказати, що в цьому випадку ККД буде дещо нижчим, ніж при використанні паливних елементів. У той же час, для отримання 1 кВт енергії водню потрібно менше, що повністю компенсує цей недолік.

Використання цієї речовини у звичайному моторі внутрішнього згоряння викличе низку проблем. По першеВисока температура стиснення «змусить» водень вступити в реакцію з металевими елементами двигуна або навіть моторним маслом. По-друге, навіть невеликий витік при контакті з розпеченим випускним колектором точно призведе до займання.

Тому для створення водневих конструкцій використовуються тільки силові агрегатироторного типу, тому що їх конструкція дозволяє зменшити ризик займання за рахунок відстані між впускним та випускним колектором. У будь-якому випадку, всі проблеми поки що вдається оминати, що дозволяє вважати водень досить перспективним паливом.

Хорошим прикладом транспортного засобу з водневою установкою може стати експериментальний седан BMW 750hL, концепт якого був представлений ще на початку 2000-х років.Автомобіль оснащений дванадцятициліндровим мотором, який працює на основі ракетного палива і дозволяє розігнати машину до 140 км/год. Водень у рідкій формі зберігається у спеціальному баку, і одного його запасу вистачає на 300 кілометрів пробігу. Якщо він повністю витрачається, система автоматично переключається на бензинове харчування.

Водневий двигун на сучасному ринку

Останні дослідження вчених у галузі експлуатації водневих двигунів показали, що вони не тільки дуже екологічні (як електродвигуни), але можуть бути дуже ефективними щодо продуктивності. Більше того, за технічними показникамиводневі силові установки обходять своїх електричних побратимів, що вже було доведено (наприклад, Honda Clarity).

Також слід зазначити, що, на відміну від систем Tesla Powerwall, водневі аналоги мають один істотний недолік: зарядити акумулятор за допомогою сонячної енергії вже не вийде, а натомість доведеться шукати спеціальну заправну станцію, яких на сьогоднішній день навіть у світовому масштабі налічується не так вже й багато.

Зараз Honda Clarity випущений досить обмеженою партією, і придбати автомобіль можна тільки в Японії, оскільки в Європі та Америці транспортний засіб з'явиться тільки в кінці 2016 року.

Цікаво знати!Генератор Power Exporter 9000 (може входити до комплектацію Honda Clarity) здатний живити всю техніку майже цілий тиждень.

Також у наш час випускаються інші транспортні засоби, що використовують водневе паливо. До них відносяться Mazda RX-8 hydrogen та BMW Hydrogen 7 (гібриди, що працюють на рідкому водні та бензині), а також автобуси Ford E-450 та MAN Lion City Bus.

Серед легкових автомобілівнайпомітнішими представниками водневих транспортних засобів на сьогодні є автомобілі Mercedes-Benz GLC F-Cell(є можливість підзарядки від звичайної побутової мережі, а сумарний запас ходу становить близько 500 км), Toyota Mirai(працює тільки на водні, і однієї заправки має вистачати на 650 км шляху) та Honda FCX Clarity(Заявлений запас ходу сягає 700 км). Але це ще не все, адже автотранспорт на водневому паливі випускається й іншими компаніями, наприклад, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюси та основні недоліки водневих двигунів

За всіх своїх переваг, не можна сказати, що водневий транспорт позбавлений певних недоліків. Зокрема, необхідно розуміти, що горюча форма водню при кімнатній температурі та нормальному тиску представлена ​​у вигляді газу, що викликає певні труднощі у зберіганні та транспортуванні такого палива. Тобто існує серйозна проблема конструювання безпечних резервуарів для водню, що застосовується як паливо для автомобілів.

Крім того, балони з цією речовиною вимагають періодичної перевірки та сертифікації, які можуть виконуватися лише кваліфікованими фахівцями, які мають відповідну ліцензію.Також до цих проблем варто додати і дорожнечу обслуговування водневого мотора, не кажучи вже про дуже обмежену кількість заправних станцій (принаймні в нашій країні).

Не варто забувати і про те, що воднева установка підвищує вагу автомобіля, через що він може виявитися не настільки маневреним, як вам би того хотілося. Тому, враховуючи все вищесказане, добре подумайте: чи варто купувати водневий транспортний засіб, або поки що з цим краще почекати.

Однак треба сказати, що й переваг у такому рішенні є чимало. По перше, ваш автомобіль не забруднюватиме навколишнє середовище токсичними вихлопними газами, по-друге, масове виробництво водню може допомогти вирішити проблему різко змінних цін на паливо та перебоїв у постачанні звичайних видів паливних рідин.

До того ж, у багатьох країнах вже побудовано мережі трубопроводів для метану, і їх легко адаптувати для прокачування водню з подальшою доставкою до заправок. Виробляти водень можна як у малих масштабах, тобто на місцевому рівні, і масово – на великих, централізованих підприємствах. Зростання виробництва водню послужить додатковим стимулом для зростання постачання цієї речовини в побутових цілях (наприклад, для опалення будинків та офісів).

Підписуйтесь на наші стрічки в

Подібно до існування різних типів двигунів внутрішнього згоряння, існують різні типи паливних елементів – вибір відповідного типу паливної елементи залежить від його застосування.

Паливні елементи поділяються на високотемпературні та низькотемпературні. Низькотемпературні паливні елементивимагають як паливо відносно чистий водень. Це часто означає, що потрібна обробка палива для перетворення первинного палива (такого як природний газ) у чистий водень. Цей процес споживає додаткову енергію та вимагає спеціального обладнання. Високотемпературні паливні елементине потребують даної додаткової процедури, оскільки вони можуть здійснювати "внутрішнє перетворення" палива за підвищених температур, що означає відсутність необхідності вкладання грошей у водневу інфраструктуру.

Паливні елементи на розплаві карбонату (РКТЕ)

Паливні елементи із розплавленим карбонатним електролітом є високотемпературними паливними елементами. Висока робоча температура дозволяє безпосередньо використовувати природний газ без паливного процесора та паливного газуз низькою теплотворною здатністю палива виробничих процесів та з інших джерел. Цей процесбув розроблений у середині 1960-х років. З того часу було покращено технологію виробництва, робочі показники та надійність.

Робота РКТЕ відрізняється з інших паливних елементів. Дані елементи використовують електроліт із суміші розплавлених карбонатних солей. В даний час застосовується два типи сумішей: карбонат літію та карбонат калію або карбонат літію та карбонат натрію. Для розплавлення карбонатних солей і досягнення високого ступеня рухливості іонів в електроліті робота паливних елементів з розплавленим карбонатним електролітом відбувається при високих температурах(650°C). ККД варіюється в межах 60-80%.

При нагріванні до температури 650°C солі стають провідником для іонів карбонату (CO 3 2-). Дані іони проходять від катода на анод, де відбувається поєднання воднем з утворенням води, діоксиду вуглецю і вільних електронів. Дані електрони направляються зовнішнього електричного ланцюга назад на катод, у своїй генерується електричний струм, а ролі побічного продукту – тепло.

Реакція на аноді: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакція на катоді: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Загальна реакція елемента: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O(g) + CO 2 (анод)

Високі робочі температури паливних елементів із розплавленим карбонатним електролітом мають певні переваги. За високих температур відбувається внутрішній риформінг природного газу, що усуває необхідність використання паливного процесора. Крім цього, до переваг можна віднести можливість використання стандартних матеріалів конструкції, таких як листова нержавіюча сталь і нікелевого каталізатора на електродах. Побічне тепло може бути використане для генерації пари високого тиску для різних промислових та комерційних цілей.

Високі температури реакції в електроліті також мають переваги. Використання високих температур потребує значного часу для досягнення оптимальних робочих умов, при цьому система повільніше реагує на зміну витрати енергії. Дані характеристики дозволяють використовувати установки на паливних елементах із розплавленим карбонатним електролітом в умовах постійної потужності. Високі температури перешкоджають пошкодженню паливного елемента окисом вуглецю, "отруєнню" та ін.

Паливні елементи з розплавленим карбонатним електролітом підходять для використання у великих стаціонарних установках. Промислово випускаються теплоенергетичні установки із вихідний електричною потужністю 2,8 МВт. Розробляються установки із вихідною потужністю до 100 МВт.

Паливні елементи на основі фосфорної кислоти (ФКТЕ)

Паливні елементи на основі фосфорної (ортофосфорної) кислоти стали першими елементами палива для комерційного використання. Цей процес було розроблено в середині 1960-х рр., випробування проводилися з 1970-х рр. З того часу було збільшено стабільність, робочі показники та знижено вартість.

Паливні елементи на основі фосфорної (ортофосфорної) кислоти використовують електроліт на основі ортофосфорної кислоти (H3PO4) з концентрацією до 100%. Іонна провідність ортофосфорної кислоти є низькою при низьких температурах, тому ці паливні елементи використовуються при температурах до 150–220°C.

Носієм заряду в паливних елементах даного типує водень (H+, протон). Подібний процес відбувається в паливних елементах з мембраною обміну протонів (МОПТЕ), у яких водень, що підводиться до анода, поділяється на протони та електрони. Протони проходять електролітом і об'єднуються з киснем, одержуваним з повітря, на катоді з утворенням води. Електрони направляються зовнішнього електричного ланцюга, при цьому генерується електричний струм. Нижче представлені реакції, в результаті яких генерується електричний струм та тепло.

Реакція на аноді: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакція на катоді: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Загальна реакція елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ККД паливних елементів на основі фосфорної (ортофосфорної) кислоти становить понад 40% при генерації електричної енергії. При комбінованому виробництві теплової та електричної енергії загальний ККД становить близько 85%. Крім цього, враховуючи робочі температури, побічне тепло може бути використане для нагрівання води та генерації пари атмосферного тиску.

Висока продуктивність теплоенергетичних установок на паливних елементах на основі фосфорної (ортофосфорної) кислоти при комбінованому виробництві теплової та електричної енергії є однією з переваг даного виду паливних елементів. В установках використовується окис вуглецю із концентрацією близько 1,5%, що значно розширює можливість вибору палива. Крім цього, СО 2 не впливає на електроліт та роботу паливного елемента, даний тип елементів працює з риформованим природним паливом. Проста конструкція, низький рівень летючості електроліту і підвищена стабільність також є переваги даного типу паливних елементів.

Промислово випускаються теплоенергетичні установки із вихідною електричною потужністю до 400 кВт. Установки на 11 МВт пройшли відповідні випробування. Розробляються установки із вихідною потужністю до 100 МВт.

Паливні елементи з мембраною обміну протонів (МОПТЕ)

Паливні елементи з мембраною обміну протонів вважаються найкращим типом паливних елементів для генерації живлення транспортних засобів, яке здатне замінити бензинові та дизельні двигуни внутрішнього згоряння. Ці паливні елементи були вперше використані НАСА для програми "Джеміні". Сьогодні розробляються та демонструються установки на МОПТЕ потужністю від 1Вт до 2 кВт.

Як електроліт у цих паливних елементах використовується тверда полімерна мембрана (тонка пластмасова плівка). При просочуванні водою цей полімер пропускає протони, але з електрони.

Паливом є водень, а носієм заряду – іон водню (протон). На аноді молекула водню поділяється на іон водню (протон) та електрони. Іони водню проходять крізь електроліт до катода, а електрони переміщаються зовнішнім колом і виробляють електричну енергію. Кисень, що береться з повітря, подається до катода і з'єднується з електронами та іонами водню, утворюючи воду. На електродах відбуваються наступні реакції:

Реакція на аноді: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакція на катоді: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Загальна реакція елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

У порівнянні з іншими типами паливних елементів, паливні елементи з мембраною обміну протонів виробляють більше енергії при заданому обсязі або вазі паливного елемента. Ця особливість дозволяє їм бути компактними та легкими. До того ж робоча температура – ​​менше 100°C, що дозволяє швидко почати експлуатацію. Ці характеристики, а також можливість швидко змінити вихід енергії – лише деякі риси, які ці паливні елементи роблять першим кандидатом для використання в транспортних засобах.

Іншою перевагою є те, що електролітом виступає тверда, а не рідка речовина. Утримати гази на катоді та аноді легше з використанням твердого електроліту, і тому такі паливні елементи дешевші для виробництва. У порівнянні з іншими електролітами, при застосуванні твердого електроліту не виникає таких труднощів, як орієнтація, виникає менше проблем через появу корозії, що веде до більшої довговічності елемента та його компонентів.

Твердооксидні паливні елементи (ТОТЕ)

Твердооксидні паливні елементи є паливними елементами із найвищою робочою температурою. Робоча температура може змінюватись від 600°C до 1000°C, що дозволяє використовувати різні типи палива без спеціальної попередньої обробки. Для роботи з такими високими температурами використовуваний електроліт є тонким твердим оксидом металу на керамічній основі, часто сплав ітрію і цирконію, який є провідником іонів кисню (О 2 -). Технологія використання твердооксидних паливних елементів розвивається з кінця 1950-х років. і має дві конфігурації: площинну та трубчасту.

Твердий електроліт забезпечує герметичний перехід газу від одного електрода до іншого, в той час, як рідкі електроліти розташовані в пористій підкладці. Носієм заряду в паливних елементах цього типу є іон кисню (О 2 -). На катоді відбувається поділ молекул кисню з повітря на іон кисню та чотири електрони. Іони кисню проходять по електроліту і поєднуються з воднем, при цьому утворюється чотири вільні електрони. Електрони направляються по зовнішньому електричному ланцюзі, при цьому генерується електричний струм та побічне тепло.

Реакція на аноді: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Реакція на катоді: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Загальна реакція елемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

ККД виробленої електричної енергії є найвищим із усіх паливних елементів – близько 60%. Крім того, високі робочі температури дозволяють здійснювати комбіноване виробництво теплової та електричної енергії для генерації пари високого тиску. Комбінування високотемпературного паливного елемента з турбіною дозволяє створити гібридний паливний елемент підвищення ККД генерування електричної енергії до 70%.

Твердооксидні паливні елементи працюють за дуже високих температур (600°C–1000°C), внаслідок чого потрібен значний час досягнення оптимальних робочих умов, у своїй система повільніше реагує зміну витрати енергії. За таких високих робочих температур не потрібно перетворювач для відновлення водню з палива, що дозволяє теплоенергетичній установці працювати з відносно нечистим паливом, отриманим внаслідок газифікації вугілля або відпрацьованих газів тощо. Також цей паливний елемент чудово підходить для роботи з високою потужністю, включаючи промислові та великі центральні електростанції. Промислово випускаються модулі із вихідною електричною потужністю 100 кВт.

Паливні елементи з прямим окисненням метанолу (ПОМТЕ)

Технологія використання паливних елементів із прямим окисленням метанолу переживає період активного розвитку. Вона успішно зарекомендувала себе у галузі живлення мобільних телефонів, ноутбуків, а також для створення переносних джерел електроенергії. на що і націлене майбутнє застосування цих елементів.

Пристрій паливних елементів із прямим окисленням метанолу і паливних елементах з мембраною обміну протонів (МОПТЕ), тобто. як електроліт використовується полімер, а як носій заряду – іон водню (протон). Однак, рідкий метанол (CH 3 OH) окислюється за наявності води на аноді з виділенням СО 2 іонів водню і електронів, які направляються по зовнішньому електричному ланцюгу, при цьому генерується електричний струм. Іони водню проходять по електроліту і вступає в реакцію з киснем з повітря та електронами, що надходять із зовнішнього ланцюга, з утворенням води на аноді.

Реакція на аноді: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакція на катоді: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Загальна реакція елемента: CH 3 OH + 3 / 2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Розробку даних паливних елементів було розпочато на початку 1990-х років. Після створення покращених каталізаторів та, завдяки іншим недавнім нововведенням, було збільшено питому потужність та ККД до 40%.

Проведені випробування даних елементів у температурному діапазоні 50-120°C. Завдяки низьким робочим температурам та відсутності необхідності використання перетворювача, паливні елементи з прямим окисленням метанолу є кращим кандидатом для застосування як у мобільних телефонахта інших товарах широкого споживання, і у двигунах автомобілів. Перевагою даного типу паливних елементів є невеликі габарити завдяки використанню рідкого палива і відсутність необхідності використання перетворювача.

Лужні паливні елементи (ЩТЕ)

Лужні паливні елементи (ЩТЕ) – одна з найбільш вивчених технологій, що використовується з середини 1960-х років. агентством НАСА у програмах "Аполлон" та "Спейс Шаттл". На борту цих космічних кораблів паливні елементи виробляють електричну енергію та питну воду. Лужні паливні елементи – одні з найефективніших елементів, що використовуються для генерації електрики, ефективність вироблення електроенергії сягає 70%.

У лужних паливних елементах використовують електроліт, тобто водний розчин гідроксиду калію, що міститься в пористій стабілізованій матриці. Концентрація гідроксиду калію може змінюватись в залежності від робочої температури паливного елемента, діапазон якої варіюється від 65°С до 220°С. Носієм заряду в ЩТЕ є гідроксильний іон (ВІН -), що рухається від катода до анода, де він вступає в реакцію з воднем, виробляючи воду та електрони. Вода, отримана на аноді, рухається назад до катода, знову генеруючи гідроксильні іони. Внаслідок цього ряду реакцій, що проходять у паливному елементі, виробляється електрика і, як побічний продукт, тепло:

Реакція на аноді: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакція на катоді: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Загальна реакція системи: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Перевагою ЩТЕ є те, що ці паливні елементи - найдешевші у виробництві, оскільки каталізатором, який необхідний на електродах, може бути будь-яка речовина, дешевша за ті, що використовуються як каталізатори для інших паливних елементів. Крім того, ЩТЕ працюють при відносно низькій температурі та є одними з найефективніших паливних елементів - такі характеристики можуть відповідно сприяти прискоренню генерації живлення та високої ефективностіпалива.

Одна з характерних рис ЩТЕ – висока чутливість до CO 2 , який може утримуватися в паливі або повітрі. CO 2 вступає в реакцію з електролітом, швидко отруює його і сильно знижує ефективність паливного елемента. Тому використання ЩТЕ обмежене закритими просторами, такими як космічні та підводні апарати, вони повинні працювати на чистому водні та кисні. Більш того, такі молекули, як CO, H 2 O і CH 4 які безпечні для інших паливних елементів, а для деяких з них навіть є паливом, шкідливі для ЩТЕ.

Полімерні електролітні паливні елементи (ПЕТЕ)

У разі електролітних полімерних паливних елементів полімерна мембрана складається з полімерних волокон з водними областями, в яких існує провідність іонів води H 2 O + (протон, червоний) приєднується до молекули води. Молекули води є проблемою через повільний іонний обмін. Тому потрібна висока концентрація води як у паливі, і на випускних електродах, що обмежує робочу температуру 100°С.

Твердокислотні паливні елементи (ТКТЕ)

У твердокислотних паливних елементах електроліт (C s HSO 4) не містить води. Робоча температура становить 100-300°С. Обертання окси аніонів SO 4 2- дозволяє протонам (червоний) переміщатися так, як показано на малюнку. Як правило, твердокислотний паливний елемент є бутербродом, в якому дуже тонкий шар твердокислотного компаунду розташовується між двома щільно стислими електродами, щоб забезпечити хороший контакт. При нагріванні органічний компонент випаровується, виходячи через пори електрода, зберігаючи здатність численних контактів між паливом (або киснем на іншому кінці елементи), електролітом і електродами.

Тип паливної елементи	Робоча температура	Ефективність виробітку електроенергії	Тип палива	Галузь застосування
РКТЕ	550–700°C	50-70%		Середні та великі установки
ФКТЕ	100–220°C	35-40%	Чистий водень	Великі установки
МОПТЕ	30-100°C	35-50%	Чистий водень	Малі установки
ТОТЕ	450–1000°C	45-70%	Більшість видів вуглеводневого палива	Малі, середні та великі установки
ПОМТЕ	20-90°C	20-30%	Метанол	Переносні установки
ЩТЕ	50–200°C	40-65%	Чистий водень	Космічні дослідження
ПЕТЕ	30-100°C	35-50%	Чистий водень	Малі установки