История и современное использование топливных элементов

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811—1896) 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. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.

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 (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.

Рис.1.Ноутбук с топливным элементом, работающем на метаноле, созданный компанией «NEC Corporation». Размеры ноутбука 270x270x40 мм, масса 2 кг.

Время работы на одной зарядке (0,3 л метанола) около 2 ч. Серийный выпуск намечен на конец 2004 года.

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.

В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 1).

Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.

Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей — усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.

Таблица 1. Область применения топливных элементов

Область применения	Номинальная мощность	Примеры использования
Стационарные установки	5–250 кВт и выше	Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
Портативные установки	1–50 кВт	Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники
Мобильные установки	25–150 кВт	Автомобили (опытные образцы создали, например, «DaimlerCrysler», «FIAT», «Ford», «General Motors», «Honda», «Hyundai», «Nissan», «Toyota», «Volkswagen», ВАЗ), автобусы (например, «MAN», «Neoplan», «Renault») и другие транспортные средства, военные корабли и субмарины
Микроустройства	1–500 Вт	Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры (PDA), различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективное направление использования топливных элементов — использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект 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 позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.

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.