История развития топливных элементов

Подождите немного. Документ загружается.

строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией.

Расчетный срок службы новых электростанций – 30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ

Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные

установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами

второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают

из спеченных частиц никеля и хрома, катоды – из спеченного и окисленного

алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.

Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические

проблемы:

 снизить «отравляемость» катализатора окисью углерода;

 повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.

Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего

поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония).

Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к

50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со

значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло

высокотемпературных установок можно использовать для производства пара,

приводящего в движение турбины электрогенераторов.

Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958

года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых

можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям

экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая

американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью

50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.

В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United

Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В

Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский

консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat,

английская Jonson Metju.

Программа ―Буран‖ также не обошлась без них: были разработаны щелочные

10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы

пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано

электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году

в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных

элементах.

Виды ТЭ

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.

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:

+ 4OH- 4H

O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к

которому поступает кислород и где проходит реакция:

4e- + O

+ 2H

O 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H

+ O

O - 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.

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:

+ O

O + 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 водородно-кислородного 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 H

и CO

. Но в этом случае уже

сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве

стационарных или автомобильных генераторов, 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. 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.

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.

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. 2). 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. 3). 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

Рисунок 3. 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. 4). Рыночный сегмент таких элементов —

стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии

мощностью от 250 кВт до 5 МВт.

Рисунок 4. 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.

Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

Для автономного использования основными являются удельные характеристики и

удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным

показателем.

Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме

того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и

использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде,

скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из

топлива экономия последнего составит порядка 50%.