Топливные элементы. Устройство, виды, принцип действия топливных элементов

Введение. Современными трендами использования энергетических ресурсов является: снижение затрат на строительство инфраструктуры; сокращение потерь при передаче энергии; увеличение надежности; создание локальных рабочих мест; возможности выхода на масштабный глобальный рынок оборудования и технологий; снижение зависимости от иностранного энергетического оборудования; расширение возможностей для потребительского выбора; сокращение выбросов парниковых газов. В связи с этим нужны новые источники энергии, которые имеют высокий КПД преобразования исходной энергии в электрическую, высокие удельные характеристики, безопасны и экологичны.

Цель исследования -акцентировать внимание к экологичным источникам энергии.

В качестве таких источников можно использовать топливные элементы, чей энергетический запас в несколько сот раз больше, а влияние, оказываемое на окружающую среду минимально. В отличие от существующих источников питания таких как гальванический элемент («батарейка»), который работает, пока не израсходуются реагенты или аккумулятор, требует периодической подзарядки, топливные элементы могут работать неограниченное время, пока в них подаются реагенты и отводятся продукты реакции. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах. В настоящее время отмечается растущий интерес крупных компаний в этом направлении.

Топливный элемент – это устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне – в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. В топливных элементах происходит превращение химической энергии топлива в электрическую, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Простота конструкции и отсутствие движущихся частей в топливных элементах позволяет их эксплуатировать в необслуживаемом режиме, все это минимизирует роль сжигания топлива (поэтому не подчиняются закону Карно), делает процесс бесшумным и экологически чистым, КПД может превышать 50 %.

Изобретателем топливного элемента (1839) считают Вильяма Роберта Грува. В своем элементе в качестве электролита Грува использовал раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя.

Современные топливные элементы – это химические источники тока, в которых электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно и раздельно поступающими к электродам элемента извне (рис. 1).

Протоннообменная мембрана

Рисунок 1. Устройство топливного элемента

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

Анодная реакция: Н 2 - 2 е ^ 2 Н ⁺

Катодная реакция: Оо ₂ + 2 Н ⁺ + 2 е ^ Н 2 О

Ток образующая реакция: Н 2 + ^ О ₂ ^ Н 2 О

Водород является идеальным топливом: химически активный; легко подводится в топливный элемент; продукт реакции - вода - легко отводится из топливного элемента; неисчерпаемый источник - вода;

сейчас водород получают за счет более дешевой переработки природного газа,    основным    компонентом    которого является    метан

СН4 + Н2 О (пар) = 3 Н2 + СО

Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие -для портативных устройств или для привода автомобилей.

На текущий момент известно несколько видов топливных элементов, которые различаются составом применяемого электролита:

• -    Щелочной топливный элемент (ЩТЭ) - это одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл».

• -    Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ) являются высокотемпературными. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

• -    Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной)

кислоты (ФКТЭ) стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 60-х годов ХХ, испытания проводились с 70-х годов ХХ века. В итоге были увеличены стабильность и рабочие показатели и снижена стоимость. -    Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы впервые использованы НАСА для программы «Джемини».

• -    Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются топливными

  элементами с самой высокой рабочей температурой от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки.

• -    Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии.

• -    Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ). В этих

элементах полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых ионы воды H2O+ (протон, красный) присоединяются к молекуле воды. Требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

• -    В твердокислотных топливных элементах (ТКТЭ) электролит

(CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С.

Приведем сравнительные характеристики представленных топливных элементов (таблица 1).

Таблица 1

Характеристики	ЩТЭ	ПОМТЭ	МОПТЭ	ФКТЭ	РКТЭ	ТОТЭ
Электролит	Водный раствор КОН	Полимерная пленка Nafion-H	твердая полимерная мембрана	Н 3 РО 4	Расплав карбонатов	Твердый раствор ZrO 2
Приложения	Космос, транспорт, автономные системы			Стационарные установки, комбинированное получение электроэнергии и тепла
Рабочие температуры, ° C	< 100	60 – 120		160 – 220	600 – 700	800 – 1000
Мощность, кВт	5 – 150	5 – 250	5	50 – 11000	100 – 2000	100 - 250
КПД, %	до 50	- 50		50 - 70	до 70

К преимуществам топливных элементов можно отнести высокий коэффициент полезного действия, составляющий, в зависимости от типа, от 40 до 60%. Высокий КПД позволяет изготавливать источники питания с более высокой удельной энергоемкостью, благодаря чему достигается уменьшение их массогабаритных показателей при сохранении мощности и времени автономной работы.

Другим важным достоинством топливных элементов является возможность практически мгновенного возобновления их энергоресурса даже при отсутствии внешних источников электропитания – для этого достаточно установить новую емкость (картридж) с используемым топливом. Применение не расходуемых в процессе реакции электродов позволяет создавать топливные элементы с очень большим сроком службы и малой совокупной стоимостью владения.

Нельзя не отметить и значительно более высокую экологическую чистоту химических топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Расходным материалом для топливных элементов служат лишь емкости с топливом, а основным продуктом реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.

Несмотря на очевидные преимущества топливных элементов перед распространенными источниками электропитания, на пути массового внедрения новой технологии имеются определенные препятствия.

Наиболее подходящими для применения в портативных устройствах относительно небольшого размера являются топливные элементы с низкой рабочей температурой. Однако для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в таких элементах необходимо использовать катализаторы. В настоящее время применяются катализаторы из платины и ее сплавов. Учитывая относительно небольшие природные запасы этого вещества, а также его высокую стоимость, одной из главных задач разработчиков источников питания на базе топливных элементов является поиск и создание новых катализаторов.

Существенным недостатком топливных элементов является очень малая плотность тока. Это связано: во-первых, с тем, что мала скорость самих электрохимических реакций, что приводит к сильной поляризации электродов; во-вторых, с тем, что газы слабо растворяются в электролите, поэтому скорость подачи активных веществ к электродам также мала. Для увеличения плотности тока используют: повышенные давления и температуры, специальные конструкции электродов (шероховатые, пористые, двухслойные, мембранные и др.), перемешивание раствора и т.п. Выводы. Перспективное направление применения топливных элементов -использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы.

В настоящее время в качестве одного из источников энергии чаще всего используются солнечные батареи. Разработаны проекты использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволяет поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.

За последние годы достигнуты существенные успехи в области топливной энергетики. Коммерциализация в этой области пока тормозится высокими капитальными затратами. Решением этой проблемы заняты высококвалифицированные научные сотрудники и инженеры во всем мире. Доля энергии, полученной с применением технологий топливной энергетики, неустанно растет.