Водородная энергетика и топливные элементы

Жизнь современного человека невозможна без энергии. Научные исследования отмечают, что продолжительность жизни в разных странах прямо пропорциональна потреблению энергии на душу населения. Например, в Канаде, где средняя продолжительность жизни приближается к 80 годам, на человека в год приходится 8 т условного топлива!
На фоне растущих цен на энергоносители и изменение климата является не допустимым использование традиционных способов получения электроэнергии с КПД 30-40%. Поэтому сегодня внедрение нетрадиционных источников энергии, таких как солнечные, ветряные станции и топливные элементы является необходимостью для многих стран.
Отдельным пунктом здесь стоят топливные элементы, которые по своей сути являются не возобновляемыми и основаны, также как и классические способы, на сжигании топлива (водород, метан), но при этом почти экологически чисты и обладают высоким КПД 50-60%!
При массовом переходе на альтернативные (читай возобновляемые) источники энергии, человечеству не обойтись без водородной энергетики. Многие возможно слышали про такую, но зачастую плохо представляют, что это значит. Так как предполагаемые (существующие на сегодняшний день возобновляемые источники энергии - ветер, солнце, а не фантастические «холодные термояды» и «модули нулевой точки» из фантастических фильмов) источники энергии нуждаются в эффективном «носителе», который можно складировать в хорошие времена и использовать во время пиковых нагрузок, а также транспортировать на далекие расстояния. Этим требованиям не удовлетворяет электроэнергия, ее нельзя складировать, а при передаче на дальние расстояния требуется сверхвысокие напряжения, что в итоге экономически неоправданно! Электричество - удобный вид энергии при потреблении и ее генерации в отдельности, а одновременное (как сейчас производство и потребление) - сложнейшая задача и, как итог, не экономичные режимы работы энергосистем, отключения постоянная угроза развала системы.
Наиболее перспективным в этом плане считается водород, многие ученые называют его «топливом XXI века», способным решить энергетические и экологические проблемы, связанные как с выбросом ядовитых веществ в атмосферу, так и с накоплением двуокиси углерода, приводящим к нарушению биосферы.
Преимущества водорода, как энергоносителя – это, прежде всего, высокая теплотворная способность 33,3 кВтч/кг (в качестве сравнения: Таблица 1), относительно простое производство и возможность легкого преобразования в электроэнергию в топливных элементах, а также легкая транспортировка без потерь (по трубам, например или цистернами).

Таблица 1- Сравнение энергоносителей
Энергоноситель kWh/l kWh/kg
Дизельное топливо 9,7 11,6
Бензин 8,76 12,7
Водород в металлогидридных соединениях 3,18 0,58
Жидкий водород 2,36 33,3
Сжатый водород при 30 MPa 0,75 33,3
Свинцовый аккумулятор 0,09 0,03

Однако существуют некоторые трудности. Первая проблема - это трудное хранение водорода. Во-вторых, имеются проблематичные аспекты безопасной работы с этим энергоносителем. Водород - это бесцветный и лишенный запаха газ. В концентрации 4 - 75 % в воздухе водород может гореть, в то время как при концентрации 13 - 59 %-vol это взрывоопасная смесь. Минимальная энергия зажигания составляет всего 0,02 mJ, загорание возможно даже от электростатического разряда. Температура самовоспламенения составляет 585оC. Преимуществом при этом является то, что водород существенно легче, чем воздух и таким образом под открытым небом быстро удаляется, что противодействует достижению опасной концентрации смеси. Практически применение водорода связано с похожими опасностями и проблемами, какие имеют место при работе с природным газом.
При получении электроэнергии, запасенной в водороде, полученном с помощью возобновляемых источников энергии, на стороне потребителя следует, как можно эффективнее преобразовать химическую энергию в электричество. Сравнение эффективности различных технологий преобразования химической энергии в электрическую приведено на рисунке 1. Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом получения энергии является комбинирование высокотемпературных топливных элементов и газовых турбин низкого давления.

Рисунок 1 – Сравнение эффективности энергетических установок

Альтернативная энергетика в нашей стране находится в зачаточном состоянии, в то время как в Европе она развивается бурно. Страны Евросоюза всерьез делают ставку на энергию солнца, ветра, воды, земных недр и на водородную энергетику.
По всем расчетам, КПД тепловых электростанций в нашей стране не превышает 30% , про вредные выбросы можно вообще молчать, а КПД водородных топливных элементов существенно выше, и постепенно снижается их стоимость.
Для преобразования химической энергии водорода в электричество наиболее эффективным считается использование топливных элементов, обладающих КПД не менее 50%. В результате работы водородных топливных элементов помимо электроэнергии производится только тепло и вода (в малых количествах). Они не содержат движущихся деталей и абсолютно бесшумны.
Так называемые SOFC (Solid Oxide Fuel Cell-Твердооксидные топливные элементы) наиболее перспективны для стационарной выработки электроэнергии. Значительным плюсом SOFC является возможность использования в качестве топлива, как водорода, так и углеводородов (метан, пропан), которыми можно снабжать топливные элементы во время нехватки «чистого» водорода, а также при постепенном переходе энергетики на «водородные рельсы».

Рисунок 1 – Схема работы высокотемпературного топливного элемента

Рассмотрим подробней работу SOFC. Он состоит из катода, к которому подводится воздух и, проходя через поры диссоцирует, ионизируется и проходит через электролит в зону реакции на стороне анода. Там он окисляет водород до воды, которая уносится с топливным потоком во вне, а образующиеся при этой реакции свободные электроны проходят через внешнюю цепь на катод. И процесс повторяется. На каждую моль воды выделяется 237кДж. Что эквивалентно 1.23 В.- теоретически максимальное напряжение, на практике оно конечно ниже 1В.
Комбинированные установки на основе SOFC и газовых турбин могут иметь КПД до 82%-а это огромная экономия СО2 выбросов и средств, потраченных на топливо. Также является перспективным использование SOFC установок малой и средней мощности для децентрализованного энергоснабжения т.к. существующая инфраструктура газовых и электрических сетей идеально подходит для этого. Технология топливных элементов находится сегодня перед прорывом на рынок.
В качестве справки: По оценкам, в Германии к 2014 г. доля твердооксидных топливных элементов в отоплении и электроснабжении составит 10–30%. Энергоустановки на их основе электрической мощностью 1,5 кВт и тепловой мощностью 2,9 кВт будут использоваться в коттеджах и многоквартирных домах.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6708/%D0%A2%D0%9E%D0%9F%D0%9B%D0%98%D0%92%D0%9D%D0%AB%D0%99

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Перевод

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.
См. также БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.
Принцип действия. Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

Рис. 1. ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Эти элементы непрерывно снабжаются кислородом и водородом для получения электрической энергии в результате постоянно поддерживающейся химической реакции.

В изображенном на рис. 1 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

<="">
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:

<="">
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с образованием воды и электрона:

<="">
На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O2H-). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:

<="">
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента. Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен - приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме. Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.
Типы топливных элементов. Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения.
Элементы на водородном топливе. В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами. Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

Рис. 2. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ также работает на водороде и кислороде, но вместо жидкого электролита используется полимерная мембрана.

Элементы на углеводородном и угольном топливах. Топливные элементы, которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом интенсивного исследования. Однако пока не достигнуто заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре. Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в пористую керамическую матрицу. Топливо "расщепляется" внутри элемента с образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание токообразующей реакции в элементе. Элементы, работающие на других видах топлива. В принципе реакции в топливных элементах не обязательно должны быть реакциями окисления обычных топлив. В перспективе могут быть найдены и другие химические реакции, которые позволят осуществить эффективное непосредственное получение электричества. В некоторых устройствах электроэнергия получается при окислении, например, цинка, натрия или магния, из которых изготавливаются расходуемые электроды.
Коэффициент полезного действия. Превращение энергии обычных топлив (угля, нефти, природного газа) в электричество было до сих пор многоступенчатым процессом. Сжигание топлива, позволяющее получить пар или газ, необходимые для работы турбины или двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор, - процесс не очень эффективный. Действительно, коэффициент использования энергии такого превращения ограничен по второму закону термодинамики, и его вряд ли можно существенно поднять выше существующего уровня (см. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА). Коэффициент использования энергии топлива самых современных паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40-45%.
Применения. Топливные элементы могут в недалеком будущем стать широко используемым источником энергии на транспорте, в промышленности и домашнем хозяйстве. Высокая стоимость топливных элементов ограничивала их применение военными и космическими приложениями. Предполагаемые применения топливных элементов включают их применение в качестве переносных источников энергии для армейских нужд и компактных альтернативных источников энергии для околоземных спутников с солнечными батареями при прохождении ими протяженных теневых участков орбиты. Небольшие размеры и масса топливных элементов позволили использовать их при пилотируемых полетах к Луне. Топливные элементы на борту трехместных кораблей "Аполлон" применялись для питания бортовых компьютеров и систем радиосвязи. Топливные элементы можно использовать в качестве источников питания оборудования в удаленных районах, для внедорожных транспортных средств, например в строительстве. В сочетании с электродвигателем постоянного тока топливный элемент будет эффективным источником движущей силы автомобиля. Для широкого применения топливных элементов необходимы значительный технологический прогресс, снижение их стоимости и возможность эффективного использования дешевого топлива. При выполнении этих условий топливные элементы сделают электрическую и механическую энергию широко доступными во всем мире.
См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.
ЛИТЕРАТУРА
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М., 1981 Кромптон Т. Источники тока. М., 1985, 1986

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

http://chemistry-chemists.com/PractChem.html