Концепция топливных элементов

ВВЕДЕНИЕ

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.

Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях — как стационарные электростанции, автономные источники тепло и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.

Концепция топливных элементов

Топливный элемент (ТЭ) – это химический источник электрического тока, его простейшим аналогом является обычная электрическая батарейка. Внутри ТЭ расположены 2 электрода, между которыми находятся мембрана и катализатор.

В ТЭ водород соединяется с кислородом и производит электричество, при этом конечным продуктом является вода – источник водорода, так что процесс получается возобновляемым и экологически чистым. В ТЭ реализуется разомкнутый процесс (близкий к изотермическому), а не цикл Карно и ограничения и расчеты связанные с КПД цикла, здесь неприемлемы.

Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена в ТЭ в электричество.

Теоретический КПД водород – кислородного ТЭ, рассчитанный как отношение произведенной электроэнергии к теплоте реакции близок к единице. ТЭ уже давно и успешно используются на борту космических кораблей для производства электричества и воды для космонавтов. Электростанция на ТЭ мощностью 4,5 МВт успешно работает в Японии с 1984 года.

Трудность реализации ТЭ заключается в необходимости осуществления реакции топлива с окислителем электрохимическим путем, для чего оба компонента в начале должны быть превращены в ионы. В ТЭ ионизация топлива и окислителя (водорода и кислорода) осуществляется при умеренных температурах за счет применения активных катализаторов на основе металлов платиновой группы.

Принцип действия ТЭ

Принцип действия ТЭ проще всего проиллюстрировать на примере ЩТЭ, который является первым типом ТЭ, применен­ным как источник электроэнергии для космических аппаратов.

Рис.5. Схема щелочного ТЭ.

На аноде ТЭ, к которому подводится молекулярный газоо­бразный водород, происходят его диссоциация и ионизация:

H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ .

В качестве электролита используется раствор щелочи КОН с концентрацией 30-50%. ЩТЭ работает при температуре 100-250 °С. Образовавшиеся ионы водорода за счет разности потенциалов анода и катода диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде при замыкании внешней электрической цепи (нагрузка) протекают по ней к катоду, совершая полезную работу. При этом на катоде протекает реакция

2H⁺ + 2e⁻ + О₂ → H₂O,

т.е. единственным продуктом при работе ЩТЭ является вода (во­дяной пар).

В ТЭ электроды и электролит в реакцию не вступают. От­личие ТЭ от гальванических заключается в том, что в них исполь­зуются нерасходуемые электроды, работающие длительное вре­мя.

Эффективность реального топливного элемента во многом зависит от каталитических свойств электродов, обеспечивающих ионизацию реагентов. Для ЩТЭ в качестве катализаторов ис­пользуется никель, серебро, металлы платиновой группы и др.

Для транспортной энергетики наибольший интерес пред­ставляют твердополимерные ТЭ (ТПТЭ), в которых проводником ионов водорода служит тонкая твердая полимерная мембрана. Ра­бочая температура ТПТЭ существенно ниже, чем для других ТЭ и составляет всего 60-80 °С. Единственной проблемой для ТПТЭ является организация отвода воды, образующейся при реакции водорода с кислородом.

Рис.6. Схема твердополимерного ТЭ.

Разработка ТПТЭ была начата компанией «General Electric» в конце 1950 гг. и одной из основных проблем стало создание химически стойкого электролита с низким удельным сопротивлением и высокой механической прочностью. Поэтому были созданы твердополимерные протонопроводящие мембра­ны – это полимеры с ионогенными (диссоциирующими на ионы) группами, образующие водонерастворимые ионообменные мем­браны за счет пространственной сшивки полимерных цепей.

При контакте с водой мембрана набухает и происходит диссоциация ионогенных групп, в результате чего ионы водорода получают возможность перемещаться между фиксированными в полимере кислотными группами.

Хотя мембрана из твердополимерного электролита очень тонкая (около 120 мкм), она обладает низкой газопроницаемо­стью и снижает вероятность смешения взрывоопасных реагентов. В качестве электрокатализаторов в таких установках используют­ся металлы платиновой группы.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)

Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60—160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов — высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1—100 кВт.

Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».

Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.

Таблица 2. Типы топливных элементов.

Тип элемента	Рабочие температуры, °С	КПД выход электрической энергии), %	Суммарный КПД, %
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)	60–160	30–35	50–70
Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (PAFC)	150–200		70–80
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)	600–700	45–50	70–80
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)	700–1 000	50–60	70–80

Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)

Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур — 150—200 °C. Основная область применения — автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).

В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.

Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37—42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.

Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.

Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.

Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.

Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)

Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах — 600—700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.

Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения — крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива — 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.

В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO₃, образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO₃.

Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.

Рис.14. Топливный элемент на основе расплавленного карбоната (MCFC), установленный на космическом корабле «Apollo» (экспонат Музея космической истории, Аламогордо, штат Нью-Мексико, США).

Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)

Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах — 700—1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения — крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.

При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.

Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.

Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов — стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.

Рис.15. Схема отдельной ячейки твердотельного оксидного топливного элемента (SOFC) трубчатой топологии производства компании «Siemens Westinghouse Power Corporation».

Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.

Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки — 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя анализ современного состояния развития источников энергии на основе топливных элементов, я изучил принцип действия и устройство различных типов топливных элементов. Осознал важность изучения, развития и создания новых источников энергии на основе топливных элементов, поскольку имеется огромный потенциал и острая необходимость в этом.

ВВЕДЕНИЕ

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.

Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях — как стационарные электростанции, автономные источники тепло и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.

Концепция топливных элементов

Топливный элемент (ТЭ) – это химический источник электрического тока, его простейшим аналогом является обычная электрическая батарейка. Внутри ТЭ расположены 2 электрода, между которыми находятся мембрана и катализатор.

В ТЭ водород соединяется с кислородом и производит электричество, при этом конечным продуктом является вода – источник водорода, так что процесс получается возобновляемым и экологически чистым. В ТЭ реализуется разомкнутый процесс (близкий к изотермическому), а не цикл Карно и ограничения и расчеты связанные с КПД цикла, здесь неприемлемы.

Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена в ТЭ в электричество.

Теоретический КПД водород – кислородного ТЭ, рассчитанный как отношение произведенной электроэнергии к теплоте реакции близок к единице. ТЭ уже давно и успешно используются на борту космических кораблей для производства электричества и воды для космонавтов. Электростанция на ТЭ мощностью 4,5 МВт успешно работает в Японии с 1984 года.

Трудность реализации ТЭ заключается в необходимости осуществления реакции топлива с окислителем электрохимическим путем, для чего оба компонента в начале должны быть превращены в ионы. В ТЭ ионизация топлива и окислителя (водорода и кислорода) осуществляется при умеренных температурах за счет применения активных катализаторов на основе металлов платиновой группы.