Итак, топливный элемент (или топливная ячейка) – что это? Где и когда он появился? В чем его преимущества и недостатки? Как он связан с водородной энергетикой? Я постаралась ответить на эти и другие вопросы, связанные с топливными элементами, наиболее простым языком, чтобы понять технологию смог не только технарь, но и гуманитарий с не очень сильными техническими познаниями.
Что же такое топливный элемент? Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. 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 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.
Принцип работы топливных элементов
Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества.
Топливный элемент состоит из анода, катода и разделяющего их электролита. 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 распадается на смесь протонов и электронов. В качестве катализатора обычно используют платину или другие благородные металлы, способствующих протеканию реакции диссоциации. Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны не пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (например, лампочки).
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
где H2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H+ - ионизированный водород (протон); е- - электрон.
В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.
Виды топливных элементов
За много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:
• по используемому топливу,
• по рабочему давлению и температуре,
• по электролиту
В целом, выделяют следующие типы топливных элементов:
• Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells — SOFC);
• Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC);
• Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);
• Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell — DMFC);
• Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells — MCFC);
• Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells — PAFC);
• Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells — AFC).
Немного истории
Топливные элементы были открыты еще в далеком 1839 году сэром Уильямом Гроувом (William Robert Grove, 1811—1896), когда он изучал электролиз воды. Гроув обнаружил, что процесс электролиза — разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока — обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока.
В дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.
Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля. Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.
Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт. Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов. Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука.
Японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат. Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.
Об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.
В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.
Характеристики топливных элементов:
• Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:
- они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),
- химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),
- они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).
• Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В. Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.
• Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80%,
• Ёмкость в несколько раз выше, чем в существующих аккумуляторах,
• Полное отсутствие экологически вредных выбросов. Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).
Проблемы топливных элементов:
• Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия “упакованного” водорода, который можно было бы свободно приобрести. Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода.
• Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.
• Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Поскольку топливные элементы работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника, то сразу вознакает следующий вопрос: а каким образом можно хранить топливо? Об этом рассказала моя коллега Екатерина вот здесь
