История развития топливных элементов
Подождите немного. Документ загружается.
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) (рис. 7), 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. 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.
Исследование топливных элементов вызвано 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 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/см
2
, для
больших батарей ее количество достигает десятков граммов.
При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе
теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1 А/см
2
) 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 22x56x4,5 мм и дает
мощность порядка 100 мВт. 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 275x75x40 мм,
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 300 мл на протяжении 10 часов и
при этом выдавал мощность 15 Вт. Casio разрабатывает топливный элемент, в
котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H
2
и CO
2
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 150x112x65 мм 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 150 г. 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.