Топливные элементы – это устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива (обычно водорода) в электрическую энергию. Эта технология может стать одним из ключевых элементов экологически чистой энергетики, так как топливные элементы работают практически бесшумно, без выбросов вредных веществ и при производстве энергии используются недорогие и доступные ресурсы. В этой статье мы рассмотрим различные типы топливных элементов и их основные принципы работы.
Наряду с батарейками (гальваническими элементами) и аккумуляторами, давно существует еще один тип химических источников тока, называемый топливным элементом.
В отличие от аккумуляторов и гальванических элементов, топливный элемент требует непрерывной подачи в него химических реагентов, при этом химический состав электролита, в процессе работы такого источника, принципиально не изменяется.
Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, непосредственно преобразующее химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. В основном это гальванический элемент, состоящий из двух электродов, разделенных мембраной или электролитом.
Топливо подается к отрицательному электроду (аноду), а окислитель к положительному электроду (катоду). Два вещества затем каталитически объединяются в пространстве между электродами.
Топливный элемент теоретически может работать непрерывно до тех пор, пока подача топлива или окислителя к электродам не будет прервана, поскольку электроды каталитически и реактивно стабильны.
Существует много комбинаций горючего и окислителя. Например, кислородно-водородная ячейка использует водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, производя чистую воду в качестве отходов.
Другие ячейки используют в качестве топлива углеводороды и спирты. Вместо чистого кислорода в качестве окислителей можно использовать, например, двуокись хлора.
Водородный топливный элемент
Данный метод прямого преобразования химической энергии в электрическую впервые был продемонстрирован в 1838 году английским химиком Уильямом Робертом Грове (1811 - 1896), открывшим явление возникновения ЭДС в цепи из двух платиновых электродов, один из которых омывался кислородом, а второй — водородом.
Этот устройство, названное Грове топливным элементом, было первым примером водородно-кислородного топливного элемента, который считается классическим типом топливного элемента. Однако из-за высокой стоимости платины и низкой мощности топливного элемента, его изобретение не получило широкого распространения и признания в течение долгого времени.
Уильям Роберт Грове
Начиная с 40-х годов 20 века интерес к данной теме сильно возрос, в том числе и в СССР, где с 1966 года для советской лунной программы разрабатывали фосфорнокислотный топливный элемент. А в период с 1987 по 2005 годы на РКК «Энергия» произвели около 100 топливных элементов.
Советские топливные элементы были успешно применены в космической программе, в том числе для обеспечения электроснабжения лунных модулей «Луноход-1» и «Луноход-2», а также для запуска спутников «Космос-605» и «Космос-782»2. Кроме того, топливные элементы использовались для питания бортовых систем космического корабля «Буран», который совершил один беспилотный полет в 1988 году. Для него был разработан специальный щелочной элемент номинальной мощностью 10 кВт.
Фосфорнокислотный топливный элемент имеет электролит на основе концентрированной фосфорной кислоты, а щелочной топливный элемент - на основе раствора гидроксида калия или натрия. Оба типа топливных элементов работают при высоких температурах (около 200 °C) и имеют высокий КПД (до 60 %).
Один топливный элемент (одна ячейка) генерирует постоянный ток при напряжении от 0,6 до 0,9 вольт и способен обеспечить мощность от 0,3 до 0,6 Вт. Из отдельных элементов собирают большие батареи.
Максимальный ток, который можно получить от такой батареи, зависит от общей активной площади поверхности анода и катода. Для понимания габаритов: при мощности батареи топливных элементов до 50 кВт, она без особых трудностей уместится в легковом автомобиле.
Для увеличения напряжения и мощности батареи топливных элементов, отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно. Последовательное соединение увеличивает напряжение, а параллельное - ток.
Обычно батарея топливных элементов состоит из нескольких групп элементов, соединенных последовательно, а затем параллельно. Таким образом, можно получить нужные значения напряжения и тока для различных приложений.
Батарея топливных элементов имеет ряд преимуществ перед другими источниками электроэнергии, такими как аккумуляторы или генераторы. Она имеет высокий КПД, низкий уровень шума и вибрации, долгий срок службы и малый вес. Она также экологически чиста, так как не выделяет вредных веществ в атмосферу.
Батарея топливных элементов может быть использована для электропитания различных устройств, таких как автомобили, лодки, поезда, самолеты, дроны и другие.
Существует множество типов топливных элементов, которые отличаются по виду топлива и окислителя, по материалу и температуре электролита, по мощности и напряжению выходного тока. Наиболее распространенные виды топливных элементов описаны ниже.
Топливный элемент с кислым электролитом
Рассмотрим в общих чертах принцип действия топливного элемента, использующего водород и кислород в сочетании с кислым электролитом.
Здесь есть два полых электрода — резервуара — анод и катод, покрытые специальным материалом — катализатором (например платиной).
Анод имеет в своей структуре мельчайшие поры, так что, если через такой анод начать прокачивать водород (являющийся в данном случае топливом), то, по мере просачивания сквозь поры в кислый электролит, молекулы водорода разделятся на атомы, каждый из двух атомов отдаст при этом аноду по одному электрону.
Ионизированный ион водорода попадет в электролит, где станет диффундировать в сторону катода. Одновременно с пропусканием через полый анод водорода, через полый катод пропускают кислород (окислитель).
В свою очередь, просачивается в электролит через поры своего электрода, при этом, контактируя с катализатором электрода, соединяется с электронами, приходящими к катоду по внешней цепи нагрузки, а также с ионами водорода. Здесь и образуется вода.
В качестве примера топливного элемента с кислым электролитом можно привести фосфорнокислотный топливный элемент, в котором переносчиком протонов от анода к катоду (электролитом) выступает ортофосфорная кислота.
Ортофосфорную кислоту необходимо как-то удержать и предотвратить ее испарение. В 60-е годы для решения этой задачи пробовали использовать асбестовые и кремниевые матрицы, которые удерживали кислоту подобно тому, как поролоновая губка удерживает воду. Идея себя не оправдала, кислота обильно вытекала, требовались дополнительные меры по ее удержанию.
Поли[2,20-(m-фенил)-5,50-бибензимидазол] и его аналоги, в качестве удерживающих кислый электролит матриц, помогли исследователям выйти из затруднительного положения; с ними время работы фосфорнокислотных элементов получилось довести до 30000 часов.
Средняя температура для топливных элементов данного типа - до 200 °C, а КПД их достигает 80%. Такие элементы используются для снабжения электроэнергией автономных зданий.
Топливный элемент с щелочным электролитом
Кроме кислотных, существуют топливные элементы с щелочным электролитом (обычно такими электролитами выступают концентрированные гидроксиды).
В них водород взаимодействует на аноде с гидроксид-ионом — образуется молекула воды. Молекула воды приходит и к катоду, одновременно с этим во внешнюю цепь отдается электрон.
На катоде же кислород взаимодействует с молекулой воды из электролита, здесь же из внешней цепи приходит электрон, — образуется гидроксид-ион.
Топливные элементы данного типа являются весьма эффективными, их КПД доходит до 70%. Именно щелочные элементы использовались в итоге в лунной программе СССР. Их рабочая температура - до 100 °C.
Яркий пример топливного элемента с щелочным электролитом — элемент на основе гирдроксида калия, заключенного в пористый материал-матрицу между электродами.
Здесь существует особенность: гидроксид калия легко соединяется с углекислым газом из воздуха с образованием карбоната, засоряющего поры электродов, и тем самым снижающего эффективность топливного элемента. Поэтому щелочной топливный элемент не может получать кислород для своей работы напрямую из воздуха, а должен питаться только чистым кислородом (чтобы исключить это самое карбонатное отравление топливного элемента).
Два основных вида щелочных элементов: иммобилизованные ячейки с насыщенным гидроксидом калия асбестовым сепаратором и проточные ячейки с открытой матрицей, через которую электролит прокачивается так, что не успевает застояться.
Топливный элемент с ионообменной мембраной и микробный топливный элемент
Наконец, третий, перспективный тип топливных элементов, работающих на водороде и кислороде при нормальных условиях, — топливный элемент, в котором вместо электролита выступает ионообменная (протонообменная) мембрана — полимерная мембрана, свободно пропускающая через себя ионы только в одну сторону.
В качестве источника кислорода может использоваться воздух, а образующаяся при работе элемента вода, никак не мешая мембране, легко удаляется без особых дополнительных мер. Вопрос лишь в том, чтобы найти подходящий материал для мембраны и недорогие катализаторы.
Как вариант, в качестве источника топлива могут выступать даже сточные воды городов и предприятий. Например, микробы могут прокачиваться вместе со сточными водами прямо через анодную камеру с подходящей анаэробной средой, а катод при этом - аэробный.
Сами микробы отрывают электроны от субстрата, передают их на анод, они движутся по внешней цепи к катоду, где образуется вода. Вместе с отрывом электронов образуются ионы водорода, направляющиеся через мембрану к катоду, где они вместе с электронами участвуют в образовании воды (см. необычные способы получения электроэнергии).
Топливный элемент с электролитом из расплавленного карбоната
Топливный элемент с электролитом из расплавленного калиево-литиевого карбоната отличается рабочей температурой до 650 °C. Здесь допускается использовать водород с примесями углерода. Такие элементы применяются для запуска паровых турбин и в обогреве зданий.
Топливный элемент с твердооксидным электролитом
Вместо электролита - керамический материал, а образующаяся на аноде вода - в состоянии пара, перегретого до температуры около 1000 °C, что объясняет потребность такого рода элементов в дорогостоящих термостойких материалах вроде диоксида циркония.
Керамический материал в данном случае проницаем для ионов кислорода, которые соединяются с водородом на аноде. Принципиально элементы данного типа способны работать на метане, пропане, бутане и биогазе.
Применяется они для запуска паровых турбин, в качестве источника тока и в обогреве зданий. КПД около 60%. На базе твердооксидных топливных элементов сегодня выпускаются стационарные установки различного назначения, мощностью до 1 МВт, в том числе — для энергообеспечения водного транспорта.
Топливный элемент на основе метанола
Метаноловый топливный элемент прямого действия имеет в качестве электролита полимерную мембрану. Водород получается из метанола: метанол реагирует с водой - образуется углекислый газ и водород.
Но здесь требуется платиновый катализатор, общий КПД низкий — 40%, к тому же метанол — яд. Зато его удобно хранить и по энергоемкости он плотнее, чем тот же сжатый водород. По этой причине, несмотря на все минусы, метаноловые топливные элементы все же рассматриваются в качестве перспективных для электрокаров.
Батарея водородных топливных элементов Hyundai
Hyundai является одним из производителей, наиболее активно использующих топливные элементы. Компания представила свой первый электромобиль на топливных элементах еще в 2000 году - Hyundai Santa Fe FCEV, а в 2013 году компания выпустила свой первый серийный водородный автомобиль, ix35 FCEV.
Все это является частью дорожной карты под названием «Fuel Cell Vision 2030», целью которой является производство к 2030 году 700 тысяч топливных элементов для автомобильной промышленности в год, а также для неавтомобильных секторов: лодок и поездов.
Используя систему топливных элементов Hyundai, швейцарская компания GRZ Technologies планирует создать стационарную систему электроснабжения с использованием водородных электрогенераторов, которая будет использоваться для выработки электроэнергии в часы пик.
Система электроснабжения от GRZ Technologies будет состоять из нескольких модулей, каждый из которых будет иметь мощность 1 кВт и способность хранить до 100 литров водорода под давлением 200 бар. Модули будут работать в режиме топливных элементов, когда потребление электроэнергии будет высоким, и в режиме электролиза, когда потребление будет низким. Таким образом, система будет обеспечивать стабильное и экологически чистое электроснабжение для различных потребителей, таких как жилые и коммерческие здания, промышленные объекты и сельскохозяйственные участки.
GRZ Technologies сотрудничает с Hyundai в рамках программы «Hydrogen to Power», которая направлена на развитие и продвижение технологий водородной энергетики в Европе. Компания планирует запустить первый пилотный проект системы электроснабжения в Швейцарии в 2024 году и расширить его в другие страны в последующие годы.
Смотрите также по этой теме: Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта
Андрей Повный