Топливный элемент – это электрохимическое 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.

Рис. 1. Некоторые топливные элементы

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

Рис. 2.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.

Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.

Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.

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

1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду.

Рис. 3.

Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, теплоту:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых, чем те, что используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они работают на чистом водороде и кислороде.

2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Рис. 4.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Эти ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – теплота.

Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. Преимущество - возможность применять стандартные материалы (листовую нержавеющую сталь и никелевый катализатор на электродах). Побочную теплоту можно использовать для получения пара высокого давления. Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует большого времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты 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.

Рис. 5.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, поэтому эти топливные элементы используются при температурах до 150-220 °C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочную теплоту можно быть использовать для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки мощностью 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов 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». Разработаны и показаны установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

Рис. 6.

Электролитом в этих топливных элементах является твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции: Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eРеакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHОбщая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые, делающие эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другое преимущество в том, что электролитом является твердое, а не жидкое вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с помощью твердого электролита, поэтому такие топливные элементы более дешевы при производстве. При применении твердого электролита нет таких трудностей, как ориентация, и меньше проблем из-за появления коррозии, что повышает долговечность элемента и его компонентов.

Рис. 7.

5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 50-х годов ХХ века и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочная теплота.

Рис. 8.

Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД производства электрической энергии - самый высокий из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C-1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Топливные элементы с прямым окислением метанола успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено будущее применение таких элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Из-за низких рабочих температур и отсутствия необходимости использовать преобразователь такие топливные элементы являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Их достоинство также - небольшие габариты.

7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему изза медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Рис. 9.

9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов

Характеристики топливных элементов

Тип топлив­ного эле­мента	Рабочая темпера­тура	Эффектив­ность выра­ботки электро­энергии	Тип топлива	Область при­менения
				Средние и большие установки
			Чистый водород	установки
			Чистый водород	Малые уста­новки
			Большинство видов углеводо­родного топлива	Малые, сред­ние и боль­шие уста­новки
				Переносные установки
			Чистый водород	Космические исследова­
			Чистый водород	Малые уста­новки

Рис. 10.

10. Использование топливных элементов в автомобилях

Рис. 11.

Рис. 12.

В течение двух ближайших лет на рынке мобильных компьютеров и портативных электронных устройств ожидается появление большого количества серийно выпускаемых моделей, оснащенных источниками питания на базе химических топливных элементов.

Экскурс в историю

ервые эксперименты по созданию топливных элементов были проведены еще в XIX столетии. В 1839 году английский физик Гроув при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего источника тока между электродами возникает постоянный ток. Однако открытия в этой области, сделанные рядом выдающихся ученых XIX века, не нашли практического применения, став достоянием лишь академической науки.

К созданию топливных элементов для прикладного использования ученые вернулись лишь в начале 50-х годов XX века. В этот период возможности практического применения химических реакторов для получения электроэнергии начали активно изучать коллективы исследователей в США, Японии, СССР и ряде западноевропейских стран.

Первой областью практического применения топливных элементов стала космонавтика. Топливные элементы различных конструкций использовались на американских космических кораблях Gemini, Apollo и Shuttle, а также на созданном в СССР многоразовом космическом челноке «Буран».

Следующая волна интереса к химическим топливным элементам была вызвана энергетическим кризисом 70-х годов. В тот период многие компании занялись исследованиями в области использования альтернативных источников энергии для транспорта, а также для бытового и промышленного применения. Кстати, именно на этом поприще начинала свою деятельность ныне известная компания АРС.

В настоящее время можно выделить четыре основные сферы применения энергоустановок на базе топливных элементов: энергоустановки для различных транспортных средств (от скутеров до автобусов), стационарные решения крупного и мелкого масштаба, а также источники питания для мобильных устройств. В этой статье мы рассмотрим главным образом решения для портативных устройств.

Что такое топливные элементы

режде всего необходимо уточнить, о чем пойдет речь. Топливные элементы представляют собой специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию.

Следует отметить, что топливные элементы имеют по крайней мере два принципиальных отличия от гальванических батарей, также относящихся к устройствам, преобразующим энергию протекающих в них химический реакций в электричество. Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально (как это происходит в случае обычных батареек).

Применение нерасходуемых электродов позволяет значительно увеличить срок службы топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Кроме того, благодаря использованию внешней системы подачи топлива значительно упрощается и удешевляется процедура восстановления работоспособности топливных элементов.

	Типы химических топливных элементов Топливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM) Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini. Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция: 2H 2 -> 4H + + 4e . Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны — через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды: O 2 + 4H + + 4e -> 2H 2 O . Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов. Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею. PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт. Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород. Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC) Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. В качестве топлива применяется чистый водород, а качестве окислителя — чистый кислород. Реакция окисления водорода протекает через электроокисление водорода на аноде: 2H 2 + 4OH – — 4e -> 4H 2 O и электровосстановление кислорода на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e -> 4OH – . Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны — по внешней цепи от анода к катоду. Щелочные элементы работают при температуре около 80 °С, однако значительно (примерно на порядок) уступают PEM-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных элементов значительно ниже, чем PEM. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи. Фосфорнокислые топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) В качестве электролита в фосфорнокислых элементах используется жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Для изготовления электродов применяется графит. Происходящие в фосфорнокислых элемента реакции электроокисления водорода аналогичны тем, которые протекают в PEM-элементах. Рабочая температура фосфорнокислых элементов несколько выше по сравнению с PEM- и щелочными и колеблется в пределах от 150 до 200 °С. Тем не менее для обеспечения необходимой скорости электрохимических реакций необходимо использовать катализаторы (платину либо сплавы на ее основе). Благодаря более высокой рабочей температуре фосфорнокислые элементы менее чувствительны к химической чистоте топлива (водорода), чем PEM- и щелочные элементы. Это позволяет применять топливную смесь, содержащую 1-2% оксида углерода. В качестве окислителя можно использовать обычный воздух, поскольку содержащиеся в нем вещества не вступают в реакцию с электролитом. Фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (порядка 40%) и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Однако PAFC имеют и целый ряд преимуществ, в том числе более простую конструкцию, а также высокую стабильность и низкую летучесть электролита. В настоящее время на базе фосфорнокислых элементов создано и запущено в коммерческую эксплуатацию большое количество энергоустановок мощностью от 200 кВт до 20 МВт. Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) Элементы с прямым окислением метанола являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. Топливом для DMFC-элементов служит водный раствор метилового спирта (метанола). Необходимый для реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления раствора метанола на аноде: CH 3 OH + H 2 O -> CO 2 + 6H + + 6e. На катоде происходит реакция окисления водорода с образованием воды: 3/2O 2 + 6H + + 6e -> 3H 2 O . Рабочая температуры DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, что немного выше по сравнению с водородными PEM-элементами. Недостатком низкотемпературного преобразования является более высокая потребность в катализаторах. Это неизбежно приводит увеличению стоимости таких топливных элементов, однако данный недостаток компенсируется удобством использования жидкого топлива и отсутствием необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода. Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (Li 2 CO 3) либо карбоната натрия (Na 2 CO 3), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода — литированный оксид никеля (NiO + LiO 2). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом: CO 3 2– + H 2 -> H 2 O + CO 2 + 2e. Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e -> CO 3 2– . Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода: CH 4 + H 2 O <-> CO + 3H 2 . MCFC-элементы обладают высоким КПД (до 60%) и позволяют использовать в качестве катализатора не платину, а более дешевый и доступный никель. Вследствие большого количества выделяемого при работе тепла данный вид топливных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако малопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В настоящее время на базе MCFC-элементов уже созданы стационарные энергоустановки мощностью до 2 МВт. Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный MCFC. В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO 2), стабилизированного оксидом иттрия (Y 2 O 3). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода: O 2 + 4e -> 2O 2– . Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа: H 2 + 2O 2– -> H 2 O + 2e; CO + 2O 2– -> CO 2 + 2e. Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и MCFC, включая возможность использования в качестве топлива природного газа. Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC.

Работа химических топливных элементов поддерживается путем подачи двух применяемых для поддержания реакции компонентов — топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород, а некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом.

Конструкция любого химического топливного элемента состоит из двух электродов (катода и анода) и находящегося между ними слоя электролита — среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах часто используют катализаторы. В зависимости от химических и физических особенностей применяемого электролита топливные элементы подразделяются на несколько различных типов (подробнее см. во врезке «Типы химических топливных элементов»).

Преимущества топливных элементов

о сравнению с широко распространенными в настоящее время источниками автономного электропитания, используемыми в мобильных ПК и портативных устройствах, химические топливные элементы имеют ряд важных преимуществ.

В первую очередь стоит отметить высокий коэффициент полезного действия топливных элементов, 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. Кроме того, более энергоемкие источники питания позволяют значительно продлить время автономной работы существующих устройств, не увеличивая их размеры и вес.

Другим важным достоинством химических 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.

Платиновая проблема

есмотря на очевидные преимущества химических топливных элементов перед многими ныне распространенными источниками электропитания портативных ПК и электронных устройств, 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 — такие как PEM и DMCF. Однако для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в таких элементах необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах 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. Другим возможным решением проблемы является использование высокотемпературных топливных элементов, однако по целому ряду причин в настоящее время подобные источники питания практически непригодны для эксплуатации в портативных устройствах.

Движение вперед: прототипы

есмотря на наличие ряда проблем, в течение двух последних лет активность коллективов разработчиков, занимающихся созданием топливных элементов для портативных ПК и электронных устройств, заметно возросла. Кроме того, увеличилось и количество компаний, ведущих подобные работы.

Если говорить об используемых технологиях, то наиболее популярными решения в рассматриваемом сегменте являются топливные элементы PEM и DMFC. Из компаний, занимающихся разработкой топливных элементов для мобильных устройств, около 45% сделали ставку на технологию PEM, примерно 40% — на DMFC и менее 10% — на SOFC. Удобство и простота использования жидкого топлива является значительным преимуществом DMFC перед PEM, и в прошедшем году стало очевидно, что большинство стоящих на пороге коммерциализации проектов базируется именно на технологии DMFC.

Прототип КПК с интегрированным топливным элементом, созданный разработчиками Hitachi

В начале прошлого года компания Hitachi продемонстрировала прототип КПК с интегрированным топливным элементом и заявила о своем намерении начать продажи пробной партии подобных устройств в 2005 году. Для перезаправки топливного элемента используется картридж цилиндрической формы (диаметром 1 см и высотой 5 см), содержащий 20-процентный водный раствор метанола. По словам разработчиков, содержащегося в картридже топлива достаточно для того, чтобы обеспечить активную работу с КПК в течение 6-8 часов.

В июне минувшего года компания Toshiba представила прототип компактного DMFC-элемента, предназначенного для использования в качестве источника питания цифровых медиаплееров и мобильных телефонов. Габариты этого блока — 22Ѕ56Ѕ4,5 мм, вес — 8,5 г. В качестве топлива в нем применяется концентрированный метанол (99,5%). Одной заправки топлива (2 см3) достаточно для обеспечения питанием нагрузки мощностью 100 мВт (например, портативного МР3-плеера) в течение 20 часов. При разработке данного прототипа было применено несколько новых решений, в частности была оптимизирована структура электродов и полимерной мембраны, позволяющая использовать в качестве топлива концентрированный метанол.

Известно, что один из производителей мобильных телефонов — компания KDDI — внимательно присматривается к разработкам Toshiba и Hitachi в области малогабаритных топливных элементов. KDDI планирует выпустить на рынок мобильные телефоны с питанием от топливных элементов в течение ближайших двух лет.

Некоторые компании уже продемонстрировали прототипы решений для портативных ПК. В частности, Casio представила прототип ноутбука, оснащенный источником питания, который содержит PEM-элемент и конвертор метанола. В начале минувшего года компания Samsung представила прототип ноутбука на мобильной платформе Centrino, оснащенный топливным элементом, обеспечивающим работу устройства в течение 10 часов.

В ноябре 2004 года сотрудники токийского института исследований в области материалов и энергетики (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) обнародовали информацию о работах по созданию топливного элемента собственной конструкции, который будет более дешевым и компактным по сравнению с DMFC. В качестве топлива в нем будет использоваться борогидрид натрия. По мнению разработчиков, благодаря этому время работы топливного элемента увеличится в четыре раза по сравнению с заправленным таким же объемом метанола DMFC-элементом.

Представленный сотрудниками MERIT прототип топливного элемента выполнен в корпусе размером 80Ѕ84,6Ѕ3 мм и способен работать с нагрузкой мощностью до 20 Вт. Для питания более мощных устройств можно использовать батареи, состоящие из нескольких элементов. Согласно существующим планам развертывание серийного производства подобных элементов намечено на начало 2006 года.

Лед тронулся…

Середине декабря компания Intermec Technologies начала продажи портативного прибора для считывания информации с радиочастотных индентификаторов — первого серийно выпускаемого устройства, оснащенного малогабаритным DMFC-элементом. Используемый в устройстве топливный элемент Mobion разработан компанией MTI MicroFuel Cells, которая планирует наладить выпуск подобных источников питания для КПК, смартфонов и других портативных устройств. Как отмечают разработчики MTI MicroFuel Cells, элемент Mobion позволяет в несколько раз увеличить время работы устройств без подзарядки по сравнению с литий-ионными аккумуляторами такого же размера.

По мнению многих экспертов, в наступившем году следует ожидать появления целого ряда серийно выпускаемых портативных устройств, оснащенных топливными элементами. И от того, насколько успешным окажется их дебют, во многом будет зависеть будущее рынка источников питания портативных устройств.

Топливная ячейка (Fuel Cell ) – это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.

Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC).

Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод - кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток - для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.

Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.

Твердооксидные ячейки

Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation - частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве - реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы.

При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента.

Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе.

Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств - в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.

Виды топливных ячеек

В настоящее время существуют такие виды топливных ячеек:

• AFC – Alkaline Fuel Cell (щелочная топливная ячейка);
• PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell (фосфорно-кислотная топливная ячейка);
• PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell (топливная ячейка с протонной обменной мембраной);
• DMFC – Direct Methanol Fuel Cell (топливная ячейка с прямым распадом метанола);
• MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell (топливная ячейка расплавленного карбоната);
• SOFC – Solid Oxide Fuel Cell (твердооксидная топливная ячейка).

Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.

Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно.

Устройство

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую.

Устройство топливного элемента включает три основные части:

1. Секция выработки энергии;
2. Процессор;
3. Преобразователь напряжения.

Основной частью топливного элемента является секция выработки энергии, которая представляет батарею, выполненную из отдельных топливных ячеек. В структуру электродов топливных ячеек включен платиновый катализатор. При помощи этих ячеек создается постоянный электрический ток.

Одно из таких устройств имеет следующие характеристики: при напряжении 155 вольт выдается 1400 ампер. Размеры батареи составляют 0,9 м в ширину и высоту, а также 2,9 м в длину. Электрохимический процесс в нем осуществляется при температуре 177 °C, что требует нагревания батареи в момент пуска, а также отвода тепла при ее эксплуатации. С этой целью в состав топливного элемента включается отдельный водяной контур, в том числе батарея оснащается специальными охлаждающими пластинами.

В топливном процессе происходит преобразование природного газа в водород, который требуется для электрохимической реакции. Главным элементом топливного процессора является реформер. В нем природный газ (или иное водородсодержащее топливо) взаимодействует при высоком давлении и высокой температуре (порядка 900 °C) с водяным паром при действии катализатора — никеля.

Для поддержания необходимой температуры реформера имеется горелка. Пар, который требуется для реформинга, создается из конденсата. В батарее топливных ячеек создается неустойчивый постоянный ток, для его преобразования применяется преобразователь напряжения.

Также в блоке преобразователя напряжения имеются:

• Управляющие устройства.
• Схемы защитной блокировки, которые отключают топливный элемент при различных сбоях.

Принцип действия

Простейший элемент с протонообменной мембраной состоит из полимерной мембраны, которая находится между анодом и катодом, а также катодными и анодными катализаторами. Полимерная мембрана применяется в качестве электролита.

• Протонообменная мембрана выглядит как тонкое твердое органическое соединение небольшой толщины. Данная мембрана работает как электролит, она в присутствии воды разделяет вещество на отрицательно, а также положительно заряженные ионы.
• На аноде начинается окисление, а на катоде происходит восстановительный. Катод и анод в PEM-элементе выполнены из пористого материала, он представляет смесь частичек платины и углерода. Платина работает в роли катализатора, что способствует протеканию реакции диссоциации. Катод и анод выполнены пористыми, чтобы кислород и водород сквозь них свободно проходили.
• Анод и катод находятся между двумя металлическими пластинами, они подводят кислород и водород к катоду и аноду, а отводят электрическую энергию, тепло и воду.
• Сквозь каналы в пластине молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы.
• В результате хемосорбции при воздействии катализатора атомы водорода преобразуются в положительно заряженные водородные ионы H+, то есть протоны.
• Протоны диффундируют к катоду через мембрану, а поток электронов идет к катоду через специальную внешнюю электрическую цепь. К ней подключена нагрузка, то есть потребитель электрической энергии.
• Кислород, который подается на катод, при воздействии вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода из протонообменной мембраны. В результате данной химической реакции появляется вода.

Химическая реакция, происходящая в топливных элементах иных типов (к примеру, с кислотным электролитом в виде ортофосфорной кислоты H3PO4) полностью идентична реакции устройства с протонообменной мембраной.

Виды

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

• Топливные элементы на базе ортофосфорной или фосфорной кислоты (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Устройства с протонообменной мембраной (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Электрохимические генераторы на базе расплавленного карбоната (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

На текущий момент большее распространение получили электрохимические генераторы, использующие технологию PAFC.

Применение

Сегодня топливные элементы используются в «Space Shuttle», космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья, в том числе для охлаждения оборудования.

Электрохимические генераторы также применялись для энергоснабжения советского «Бурана», корабля многоразового использования.

Топливные элементы находят применение и в гражданской сфере.

• Стационарные установки мощностью 5–250 кВт и выше. Они находят применение в качестве автономных источников для тепло- и электроснабжения промышленных, общественных и жилых зданий, аварийных и резервных источников электроснабжения, источников бесперебойного питания.
• Портативные установки мощностью 1–50 кВт. Они применяются для космических спутников и кораблей. Создаются экземпляры для тележек для гольфа, инвалидных колясок, железнодорожных и грузовых рефрижераторов, дорожных указателей.
• Мобильные установки мощностью 25–150 кВт. Они начинают применяются в военных кораблях и субмаринах, в том числе автомобилях и иных транспортных средствах. Опытные образцы уже создали такие автомобильные гиганты, как «Renault», «Neoplan», «Toyota», «Volkswagen», «Hyundai», «Nissan», ВАЗ, «General Motors», «Honda», «Ford» и другие.
• Микроустройства мощностью 1–500 Вт. Они находят применение в опытных карманных компьютерах, ноутбуках, бытовых электронных устройствах, мобильниках, современных военных приборах.

Особенности

• Часть энергии химической реакции в каждом топливном элементе выделяется в виде тепла. Требуется охлаждение. Во внешней цепи поток электронов создает постоянный ток, используемый для совершения работы. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.
• Количество электроэнергии, которую создают топливные элементы, определяется давлением газа, температурой, геометрическими размерами, видом топливного элемента. Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно сделать размеры топливных элементов больше, но на практике применяют несколько элементов, которые объединяются в батареи.
• Химический процесс в некоторых видах топливных элементов может быть обратным. То есть при подаче разности потенциалов на электроды воду можно разложить на кислород и водород, которые будут собираться на пористых электродах. С включением нагрузки подобный топливный элемент будет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективы

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода, топливные элементы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

• Автомобили будут работать на топливных элементах, ДВС в них вообще не будет. В качестве источника энергии будет применяться вода или твердотельный водород. Заправка будет простой и безопасной, а езда экологичной – будет вырабатываться только водяной пар.
• Все здания будут иметь собственные портативные энергогенераторы, выполненные на топливных элементах.
• Электрохимические генераторы заменят все аккумуляторы и будут стоять в любой электронике и бытовых приборах.

Достоинства и недостатки

У каждого вида топливного элемента свои недостатки и достоинства. Одни требуют высокого качество топлива, другие имеют сложную конструкцию, нуждаются в высокой рабочей температуре.

В целом же можно указать следующие достоинства топливных элементов:

• безопасность для окружающей среды;
• электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
• электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
• гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

• технические трудности с хранением и транспортом топлива;
• несовершенные элементы устройства: катализаторы, мембраны и так далее.