Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Растущие потребности потребления энергии требуют поиска её перспективных источников. В решении этой проблемы немаловажную роль могут сыграть источники тока, называемые топливными элементами.
Цель данного проекта - ознакомившись с принципами работы топливных элементов, изготовить действующую модель данного вида источника электрической энергии. Задача работы : изучив теоретический материал по основам функционирования топливных элементов и ознакомившись с существующими типами этих источников тока, изготовить действующую авторскую модель элемента. Был выбран именно этот источник тока, так как в нём энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую без применения различных промежуточных устройств.
Гипотеза - возможность самостоятельной разработки и создания авторской модели топливного элемента. Объект исследования : источники тока - топливные элементы. Предмет исследования - технические и электрические характеристики этих источников тока. Методы исследования - изучение необходимого теоретического материала, выполнение экспериментов по созданию собственной работоспособной топливной ячейки для водородно - кислородного топливного элемента со щелочным электролитом и проведение испытаний работы полученного источника тока. Практическая значимостьи актуальность проекта не подлежат сомнению.Топливные элементы очень интересны и перспективны ввиду того, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду. Таким образом, они высокоэффективны, бесшумны, не загрязняют атмосферу и, следовательно, имеют преимущества с точки зрения экологии.
Новизна проекта: создание собственной работоспособной топливной ячейки для водородно - кислородного топливного элемента со щелочным электролитом (как протонно-обменную мембрану автор использовал микроканальную пластину, как бесплатиновый катализатор - игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом).
2. Теоретическая часть.
2.1. Топливные элементы
Топливный элемент - устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент (ТЭ) подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Как и батарея он имеет анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. ТЭ могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока имеют запас топлива и воздуха.
Несмотря на то, что первые топливные элементы появились более 100 лет назад, до сих пор не удалось создать «идеальный» топливный элемент. Существующие в настоящее время топливные элементы строятся по различным схемам, работают при температурах от комнатных до нескольких сотен градусов, используют жидкое или газообразное топливо. Все их объединяет то, что и топливо, и окислитель подводится из внешних резервуаров. Таким образом, количество электрической энергии, которую может произвести топливный элемент, ограничено только емкостью этих внешних хранилищ. Емкость их может быть практически бесконечной.
Преимущества. В отличие от традиционных гальванических элементов или аккумуляторов, в которых топливо и окислитель хранятся внутри корпуса и не могут быть заменены или добавлены по мере израсходования, некоторые типы топливных элементов можно использовать сразу после подачи топлива и окислителя (другие типы требуют предварительной процедуры запуска). Топливные элементы, использующие жидкое топливо, имеют значительно более высокий КПД по сравнению с традиционными двигателями на таком же топливе и соединенными с электрическим генератором. Топливный элемент преобразует реакцию окисления топлива непосредственно в электрическую энергию без промежуточных устройств.
Недостатки. К ним относят дороговизну платиновых катализаторов, являющихся обязательной составной частью многих типов топливных элементов. Возможность необратимого «отравления» такого катализатора в случае применения топлива с загрязнениями. И как следствие или полная неработоспособность топливного элемента, или потеря мощности с одновременным ухудшением коэффициента полезного действия. Также существует проблема безопасного хранения больших объемов водорода в случае водородно-кислородных ТЭ. Следующий недостаток - неспособность ТЭ обеспечивать кратковременные пиковые мощности. (Приходится дополнительно устанавливать аккумуляторы традиционных конструкций).
В настоящее время ведётся поиск эффективных бесплатиновых катализаторов и протонно-обменных мембран, а также оптимизация конструкции электродов и совершенствование способов хранения топлива в случае использования ТЭ для транспортных средств.
2. 2. Типы топливных элементов
Рассмотрим некоторые виды ТЭ. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и др., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. ТЭ вырабатывают электричество напрямую путем бесшумной электрохимической реакции. Единственным продуктом выброса при работе являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. ТЭ собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули. Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы ТЭ годятся для использования в стационарных электростанциях, другие для небольших портативных устройств или для питания автомобилей и т. д. .
ТЭ делятся на высокотемпературные и низкотемпературные.
Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
2.2.1. Топливный элемент с полимерной мембраной обмена
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из перспективных технологий топливных элементов. Он состоит:
1. Анод - негативная клемма ТЭ. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего электроны используются во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.
2. Катод — позитивная клемма ТЭ, также имеет каналы для распределения уже кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.
3. Электролит - протонно-обменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.
4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.
Реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 В. Чтобы повысить напряжение, много отдельных топливных элементов должны быть объединены.
2.2.2. Водородно-кислородный топливный элемент
Это - химический источник тока, в котором осуществляется непрерывная подача активных веществ извне в зону электрохимической реакции. Рис. 1.Он работает при обычных или слегка повышенных температурах с применением водных электролитов. Элементы этого типа характеризуются наличием изготовленных из соответствующих электропроводящих материалов (уголь, никель и др.) пористых электродов, которые частично пропитаны электролитом, но сохраняют газопроницаемость. На внутренней поверхности пор, куда поступают активные газы (водород и кислород) происходят электродные процессы, заключающиеся в переходе адсорбированных газов в ионное состояние и являющиеся источником электродвижущей силы элемента.
Основное преимущество предлагаемого водородно-кислородного ТЭ заключается в том, что созданная вначале (при изготовлении элемента) степень пропитки электродов остается почти постоянной, так как дальнейшая самопроизвольная пропитка электродов из загущенного электролита не происходит. Или это имеет место лишь в незначительной степени, что обусловливает высокую стабильность работы электродов . Изделие работает без повышенного давления газа.
Недостатком электродов, работающих без повышенного давления газа, является значительно меньшая плотность тока, которую способны выдерживать такие электроды.
Рассмотрим подробнее водородно-кислородный топливный элемент с водным электролитом и пористыми электродами из никеля, угля или иного электропроводного материала, работающий без применения избыточного давления подаваемого газа (в частности, воздуха). ТЭ отличается тем, что, в целях предотвращения постепенного промокания электродов, а также увеличения стабильности и величины разрядного тока, применен электролит в загущенном состоянии. Электродные пластины обеих полярностей (или одной из них - преимущественно положительные) составлены из большого числа узких тонких пластинок, расположенных параллельно одна другой и перпендикулярно к плоскости электродной пластины. Они разделены на части тонкими пористыми прокладками, пропитанными электролитом, а на остальной части газом (водородом для отрицательного электрода и кислородом или воздухом для положительного электрода).
Кислородно-водородный элемент со щелочным электролитом — один из наиболее перспективных современных топливных элементов. Его преимущества заключаются в относительной простоте конструкции, высокой степени надежности, возможности использовать газы без специальной очистки и при низком парциальном давлении, включая использование атмосферного кислорода. Кроме того, этот элемент сохраняет достоинства лучших топливных элементов других систем: непрерывность работы в течение относительно длительного времени, отсутствие вредных выделений, высокий коэффициент использования активных веществ, стабильность напряжения.
2.2.3. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) - одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. 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, тепло:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e - Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH - Общая реакция системы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O.
Достоинством ЩТЭ является то, что они дешевле в производстве, так как цена на их катализаторы ниже. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных ТЭ.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ - высокая чувствительность к CO 2 , который может содержаться в топливе или воздухе. CO 2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность ТЭ. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H 2 O и CH 4 , которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ .
3. Экспериментальная часть
Для проведения экспериментов было решено изготовить действующую модель водородно-кислородной топливной ячейки со щелочным электролитом (раствор КОН). Так как для работы такой ячейки необходимы газообразные водород и кислород, так же пришлось изготовить устройство для их непрерывного получения - электролизер. В силу того, что ячейка при своей работе нагревается, электролизер был дополнен охладителем газов на базе термоэлектрического холодильника на элементе Пельтье. Электролизер, также нагревается до температуры 35 - 40 °С.
3.1. Изготовление топливной ячейки
Топливная ячейка представляет собой трехслойную сендвичевую конструкцию. Со сторонами 8 Х 8 см и толщиной 7 мм. Основа конструкции пластины из прозрачного поликарбоната. На рисунке 2 показан вид на боковую пластину. Видны штуцера для подвода газа, электрический контакт и винты, стягивающие конструкцию в единое целое. На рисунке 3 показан вид на топливную ячейку с торцевой поверхности.
В центральной части сделано круглое окно, куда вклеена протонно-обменная мембрана. В качестве мембраны использована микроканальная пластина. В каналах мембраны за счет капиллярных сил хорошо удерживается электролит - 5% раствор KOH. Большое количество отверстий микронных размеров обеспечивает беспрепятственный транспорт протонов через пластину, которая является диэлектрическим изолятором. Она химически инертна по отношению к едкому калию КОН. Внешний вид центральной секции с микроканальной пластиной представлен на рисунке 4.
На боковых частях топливной ячейки наклеена алюминиевая фольга, являющаяся электрическим контактом для электродов. Электроды представляют собой диски из углевойлока. Углевойлок удовлетворяет основным требованиям для успешного функционирования топливной ячейки, а именно - высокая электропроводность, пористость структуры для прохода газа и развитость поверхности для эффективной работы катализатора, а также химическая инертность по отношению к электролиту КОН. Боковых частей две. Внешний вид пластины представлен на рисунке 5.
По периметру топливная ячейка собирается в единый пакет с помощью 9 винтов. В боковых частях закреплены штуцеры для подвода и удаления газа.
3.2. Изготовление электролизера для непрерывного получения водорода и кислорода
Главная часть электролизера представляет собой U- образную стеклянную трубку, заполненную 10% раствором KOH. Водород и кислород получаются при разложении дистиллированной воды под действием электрического тока. Электроды пропущены через верхние резиновые пробки, вставленные в открытые колена трубки. Внешний вид полностью собранного электролизера, с подключенной к нему топливной ячейкой - рис. 6. Получающиеся в процессе работы газы отводятся через систему шлангов, подсоединенных к верхним частям стеклянной трубки. В силу того, что дистиллированная вода обладает значительным сопротивлением, и скорость ее разложения будет незначительной, в воду добавлена щелочь - едкий калий КОН. Сопротивление резко снижается, возрастает сила тока и, как следствие, скорость разложения воды на водород и кислород. Для химической стойкости электроды, погруженные в раствор, выполнены из никеля.
В процессе работы уровень электролита понижается за счет разложения воды и его приходится доводить до уровня, добавляя новые порции воды. При этом щелочь не расходуется. Для пополнения уровня воды без разгерметизации электролизера, в одну из верхних резиновых пробок подсоединен шприц с водой. За один час работы электролизера при напряжении 14 В и силе тока 2 А образуется около 120 см 3 Н 2 и 60 см 3 О 2 . Скорости получения газов достаточно для проведения эксперимента. Также, учитывая взрывоопасность смеси Н 2 и О 2, скорость их получения недостаточна для образования гремучего газа в помещении. Водород и кислород поступают каждый по своей магистрали, объединяясь только внутри топливной ячейки. Поток газов можно направлять сразу в топливную ячейку или запасать в шприцах, объемом по 60 см 3 , подключенных к магистралям. При этом поток газов к ячейке перекрывается роликовыми зажимами.
Все основные элементы электролизера закреплены на универсальном штативе с помощью муфт и зажимов. Источником питания служит регулируемый лабораторный блок питания. Получающийся в процессе разложения водород и кислород проходят через охладитель на элементе Пельтье. Охладитель представляет собой собственно элемент Пельтье, на холодном спае которого с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8 установлена алюминиевая пластина с закрепленными на ней медными трубками для протока газов. Скорость протока газа небольшая. Поэтому газ успевает охладиться до температуры +10 °С на выходе, при температуре +20 °С на входе. Горячий спай охлаждается медным пластинчатым радиатором с принудительным обдувом воздухом. Радиатор также закреплен на горячем спае элемента Пельтье с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8. Рис.7.
Таким образом, газы предварительно охлаждаются, что повышает их плотность и позволяет пользоваться ячейкой без принятия мер по ее принудительному охлаждению. В процессе получения электричества ячейка подвержена саморазогреву в результате взаимодействия водорода с кислородом. При работе ячейки вырабатывается электричество и образуется вода. Этот процесс, по сути, является горением водорода в атмосфере кислорода. Поэтому нагрев ячейки - нормальное явление. Потребляемая сила тока в 5 А складывается из тока, потребляемого электролизером, элементом Пельтье и вентилятором, охлаждающим горячий спай элемента Пельтье.
Для подтверждения работоспособности топливной ячейки при использовании в ней в качестве катализатора игольчатых монокристаллов оксида молибдена, активированных золотом, был проведён опыт с ячейкой без катализаторов. Цель: измерение ЭДС ячейки. После подключения собранной ячейки к электролизеру она была выдержана в потоке газов в течении 15 минут, для гарантированного удаления из пористых электродов атмосферных газов. Перед опытом ячейку разобрали. Протонно-обменную мембрану смочили раствором электролита - 5% раствором КОН. Максимальное значение ЭДС которое удалось получить: 15,5 мВ. Т.е. без катализаторов Н 2 и О 2 взаимодействуют, но незначительно.
В следующем эксперименте на торцевые части углеродных пористых электродов был нанесен слой катализатора, представляющего собой игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом. Ячейку для этого разбирали. Катализатор наносился на оба электрода. Измельченный катализатор (рис.8) насыпали на поверхность электрода и равномерно распределили. Он был на той части электрода, которая обращена к алюминиевому покрытию. Ячейку собрали и подключили к электролизеру. Её выдержали в потоке газов в течение 15 минут. Максимальное значение ЭДС в случае применения катализаторов: 600 мВ. Т.е. катализатор значительно увеличил количество водорода и кислорода, реагирующих друг с другом. (Лучшие из известных конструкций аналогичных топливных ячеек со щелочным электролитом и катализаторами на основе платины, имеют ЭДС немного больше 1В.)
4. Заключение
Результаты проекта:1.Изучены теоретические основы функционирования водородно-кислородных ТЭ со щелочным электролитом. 2.Изготовлена действующая разборная модель топливной ячейки с протонно-обменной мембраной из микроканальной пластины и углеродными пористыми электродами. 3. Изготовлен электролизер для получения водорода и кислорода. 4. Проведен эксперимент по эффективному применению в качестве бесплатинового катализатора игольчатых монокристаллов МоО 3 , легированного золотом.
5. Литература
1. «Юсти Э., Винзель А. Топливные элементы. - М.: Мир, 1964. - 305 c.
2 http vezdehod-strannik.ru
3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM
4. В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян. Химические источники тока: - М.:Мир,1990. - 240 c.
5. https://postnauka.ru/faq/59642#!
6. Приложения
Рис. 1 - Процессы, происходящие при работе ТЭ
Рис. 2 - Топливная ячейка. Рис. 3 - Вид с торцевой поверхности
Рис. 4 - Центральная секция с мембраной Рис. 5 - Боковая крышка.
Рис. 7 - Термоэлектрический охладитель на элементе Пельтье
Рис. 8 а - Катализатор (оксид молибдена МоО 3 ) увеличение в 400 раз; б - изображение на атомно-силовом микроскопе (Центр коллективного пользования Северо - Осетинский государственный университет)
С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД - 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.
Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них - процесс добычи водорода.
Проблемы добычи
Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа . Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.
Трубчатая печь для паровой конверсии метана - не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро
Более удобный и простой метод - электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа - большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество - водород- электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.
Мобильная электростанция Toshiba H2One
Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.
Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии - к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.
Монтаж системы H2One в городе Кавасаки
Водородное будущее
Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров - при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.
Водородная энергетика - это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.
Когда-то в будущем, о начале нашего века возможно скажут, что растущие цены на нефть и беспокойство об окружающей среде привели к резкому расширению кругозора автопроизводителей и заставили их разрабатывать и внедрять все новые и новые виды топлива и двигателей.
Одним из этих видов топлива будут называть водород. Как известно, при соединении водорода и кислорода получается вода, а значит, если поставить этот процесс в основу двигателя автомобиля, то выхлопом будет не смесь опасных газов и химических элементов, а обычная вода.
Не смотря на некоторые технические сложности, связанные с использованием водородных топливных элементов (ТЭ), автопроизводители не собираются сдаваться и уже разрабатывают свои новые модели с водородом в качестве топлива. На Франкфуртском автосалоне 2011 года можно было видеть как один из флагманов автоиндустрии, Daimler AG представила публике несколько прототипов Mercedes-Benz с водородным двигателем. В этом же году корейская Hyndai объявила, что откажется от разработок электромобилей и сконцентрируется на разработке автомобилей, которые будут использовать водородные топливные элементы.
Не смотря на это активное развитие, не так много людей точно представляют себе, что именно представляют собой эти водородные ТЭ и что у них внутри.
Для того, чтоб прояснить ситуацию, давайте обратимся к истории водородных топливных элементов.
Первым, кто теоретически описал возможность создания водородного ТЭ, был немец Christian Friedrich Schönbein. В 1838 году он описал принцип в одном из научных журналов того времени.
Годом позже. В 1939, судья из Уэльса, сэр Sir William Robert Grove создал и продемонстрировал практически работающую водородную батарею. Но заряда, производимого батареей, было недостаточно, чтоб изобретение получило широкое употребление.
Термин «топливный элемент» был впервые использован в 1889 исследователями Ludwig Mond и Charles Langer, которые совершили попытку создать работающий ТЭ с использованием воздуха и коксового газа. По другой версии, первым, кто использовал термин «топливный элемент», был William White Jaques. Он также был первым, кто использовал фосфорную кислоту в электролитной ванне.
В 1920-х годах исследования, проведенные в Германии, открыли пути использования карбонатного цикла и твердооксидных топливных элементов, которыми пользуются сейчас.
В 1932 инженер Francis T Bacon начал свое исследование водородных ТЭ. До него, исследователи использовали пористые электроды из платины и серную кислоту в электролитной ванне. Платина делала производство очень дорогим, а серная кислота создавала дополнительные сложности из-за своей едкости. Бэйкон заменил дорогую платину на никель, а серную кислоту - на менее едкий щелочной электролит.
Бэйкон постоянно совершенствовал свою разработку и в 1959 году смог представить публике 5-киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. Исследователь назвал свой ТЭ «Bacon Cell».
В октябре того же 1959 года Harry Karl Ihrig продемонстрировал трактор мощностью в 20 лошадиных сил, который стал первым в мире транспортным средством, получавшим питание от топливного элемента.
В 1960-х годах американская General Electric использовала принцип работы топливного элемента Бэйкона и разработала систему генерации электроэнергии для космических программ NASA Gemini и Apollo. NASA просчитали, что использовать ядерный реактор было бы слишком дорого, а обычные аккумуляторы или солнечные батареи требовали слишком много пространства. Кроме того, водородные топливные элементы могли одновременно снабжать корабль электроэнергией, а экипаж - водой.
Первый автобус на водородном ТЭ был построен в 1993 году. В 1997 году автопроизводители Daimler Benz и Toyota представили свои прототипы легковых автомобилей.
— facepla.net —Комментарии:
А про работы по теме ТЭ в СССР забыли сказать, да?
при получении электричества будет образовываться вода. и чем больше первого тем больше и её. А теперь представим себе как быстро капельки забьют все топливные ячейки и каналы прохода газов – Н2, О2 А как будет работать этот генератор при минусовой температуре?
вы предлагаете сжечь десятки тон угля,выбросив в атмосферу тонны сажи получить водород,чтоб получить пару ампер тока для новомодной тесло?!
где жеж тут экономия с экологией?!
Вот оно – костность мышления!
Зачем сжигать тоны угля? Мы живем в 21 веке и уже есть технологии позволяющие получать энергию вообще ничего не сжигаю. Остается только грамотно аккумулировать эту энергию для удобного дальнейшего использования.
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, автономные источники тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
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 |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек. В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию, используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы. Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , 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 CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения. В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
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.
Предприниматель Данила Шапошников говорит, что взялся вывести продукт на рынок из лаборатории. Стартап AT Energy делает водородные топливные элементы, на которых беспилотники смогут летать в разы дольше, чем сейчас.
Предприниматель Данила Шапошников помогает ученым Юрию Добровольскому и Сергею Нефедкину коммерциализировать их изобретение — компактные водородные топливные элементы, которые могут работать несколько часов, не боясь мороза и влаги. Созданная ими компания AT Energy уже привлекла около 100 млн руб. инвестиций и готовится к покорению мирового рынка беспилотных летательных аппаратов объемом $7 млрд, на котором пока преимущественно используют литиево-ионные аккумуляторы.
Из лаборатории на рынок
Начало бизнесу положило знакомство Шапошникова с двумя докторами наук в области энергетики и электрохимии — Добровольским из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке и Нефедкиным, возглавляющим Центр водородной энергетики в Московском энергетическом институте. У профессоров была идея, как делать низкотемпературные топливные элементы, но они не понимали, как вывести свое изобретение на рынок. «Я выступил предпринимателем-инвестором, который рискнул вывести продукт в рынок из лаборатории», — вспоминает Шапошников в интервью РБК.
В августе 2012 года Шапошников, Добровольский и Нефедкин зарегистрировали компанию AT Energy (ООО «Эй Ти Энерджи») и стали готовить опытные образцы. Компания подала заявку и стала резидентом Сколково. Весь 2013 год на арендованной базе института в Черноголовке основатели AT Energy работали над тем, чтобы радикально увеличить срок работы аккумуляторов на основе топливных элементов. «Черноголовка — наукоград, там достаточно легко найти и привлечь к работе лаборантов, инженеров и электрохимиков», — говорит Шапошников. Потом AT Energy переехала в черноголовский технопарк. Там и появился первый продукт — топливный элемент для беспилотников.
«Сердцем» топливного элемента, разработанного в AT Energy, является мембранно-электродный блок, в котором происходит электрохимическая реакция: с одной стороны подается воздух с кислородом, с другой — сжатый газообразный водород, в результате химической реакции окисления водорода вырабатывается энергия.
Под реальный продукт AT Energy смогла получить два гранта Сколково (в сумме почти 47 млн руб.), а также привлечь около $1 млн инвестиций. В проект поверили фонд North Energy Ventures (получил 13,8% AT Energy, его партнером является сам Шапошников), венчурный фонд Phystech Ventures (13,8%), основанный выпускниками Московского физико-технического института, и девелопер «Мортон» (10%); напрямую Шапошникову и Добровольскому сейчас принадлежит по 26,7% AT Energy, а Нефедкину — 9% (все — по данным ЕГРЮЛ).
AT Energy в цифрах
Около 100 млн руб. — общая сумма привлеченных инвестиций
3-30 кг — масса беспилотников, для которых AT Energy делает энергосистемы
$7 млрд в год — объем мирового рынка беспилотников в 2015 году
$90 млн — объем российского рынка военных беспилотников в 2014 году
$5 млн — объем российского гражданского рынка беспилотников в 2014 году
$2,6 млрд — объем мирового рынка топливных элементов в 2014 году
Источник: данные компании, Business Insider, Markets & Markets
Летает дольше, еще дольше
На сегодняшний день почти 80% беспилотников в мире используют электрические двигатели, которые питаются от литиево-ионных или литиево-полимерных аккумуляторов. «Самая большая проблема с батарейками — в том, что в ней есть ограничения энергоемкости по габаритам. Хочешь в два раза больше энергии — ставь еще один аккумулятор, и еще один, и т.д. А в беспилотниках самый важный параметр — это его масса», — объясняет Шапошников.
От массы беспилотника зависит его полезная нагрузка — количество устройств, которые можно на него повесить (например, камеры, тепловизоры, сканирующие устройства и пр.), а также время полета. На сегодняшний день дроны летают в основном от получаса до полутора часов. «Полчаса это неинтересно, — говорит Шапошников. — Получается, только ты его поднял в воздух, как уже пора менять аккумулятор». Кроме того, литиево-ионные батареи капризно себя ведут при отрицательных температурах. Шапошников утверждает, что разработанные в AT Energy топливные элементы позволяют дронам летать до пяти раз дольше: от двух с половиной до четырех часов, а мороза не боятся (до минус 20 градусов).
Расходные материалы и комплектующие для своих аккумуляторов AT Energy закупает как в России, так и за рубежом. «Для научных разработок подразумеваются небольшие серии, так что мы пока не можем дать потенциальным российским производителям необходимых нам компонентов горизонт планирования, чтобы они могли локализовать их производство», — объясняет Шапошников.
В 2014 году AT Energy выполнила первые контракты: поставила 20 аккумуляторных систем на основе своих топливных элементов военным (заказчика Шапошников не называет). Ими также были оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», которая использовала их при видеосъемке Олимпиады в Сочи. «Одна из целей компании была протестировать наши системы на беспилотниках, и нам было все равно, заплатят нам за это или нет», — вспоминает Шапошников. На сегодняшний день у AT Energy подписан ряд контрактов и предконтрактов, потенциальная выручка по которым, по словам Шапошникова, составляет 100 млн руб. (в основном с госструктурами).
Финансовые результаты деятельности AT Energy Шапошников не раскрывает. По данным «Контур.Фокус», в 2014 году компания имела выручку в 12,4 млн руб. и чистый убыток в 1,2 млн руб. Стоимость топливных элементов мощностью до 0,5 кВт производства AT Energy, по словам Шапошникова, колеблется в интервале $10-25 тыс., в зависимости от типа беспилотника, стоящих перед ним задач, длительности полета и других параметров.
Девальвация рубля, по словам Шапошникова, облегчит компании выход на мировой рынок. «Мы ставим себе цель в 2016 году завязать отношения с западными игроками, а в 2017 году сделать первые продукты для основных типов зарубежных беспилотников», — говорит он.
ИНВЕСТОР
«AT Energy удалось создать топливный элемент с уникальными характеристиками»
Олег Перцовский, директор по операционной работе кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково»
«Они смогли сделать устройство, которое работает при отрицательных температурах, при этом достаточно компактное и недорогое. Для наукоемких проектов четыре года — это короткий промежуток времени, поэтому они движутся нормальными темпами, на наш взгляд. Беспилотники — это одна из очевидных и наиболее перспективных сфер для применения топливных элементов. Заменив источник питания, беспилотник сможет при тех же массово-габаритных характеристиках в несколько раз увеличить время полета. Еще есть рынок автономного энергоснабжения, например для сотовых сетей, где есть большая потребность в источниках питания небольшой мощности в отдаленных районах, куда не подведены электрические сети».
«Создание конкурентного продукта и выход на этот рынок имеют значительные инвестиционные риски»
Сергей Филимонов, руководитель корпоративного венчурного фонда GS Venture (в составе GS Group)
«Рынок топливных элементов с высокой емкостью значительно шире и сложнее сферы беспилотных летательных аппаратов. Но топливным элементам предстоит конкурировать с рядом существующих источников энергии, как с точки зрения эффективности, так и стоимости. Создание конкурентного продукта и выход на этот рынок имеют значительные инвестиционные риски. Для GS Venture направления БПЛА и топливных элементов достаточно интересны, но фонд не готов инвестировать в стартап только потому, что эта компания работает в развивающейся сфере и нацелена на активно растущий рынок.
КЛИЕНТЫ
«Это лучшая технология на рынке, но слишком дорогая»
Олег Панфиленок, основатель и генеральный директор компании Copter Express
«У AT Energy очень сильная технология. Связка «топливный элемент плюс баллон с водородом» позволяет добиться уверенной энергоемкости, существенно более высокой, чем в литиево-полимерных или литиево-ионных батареях. Мы уже спроектировали дрон для картографирования, около 1 метра в диаметре, чтобы облетать большую территорию, — если на него поставить водородно-топливные элементы, он будет летать до четырех часов. Это было бы удобно и эффективно, не пришлось бы по несколько раз сажать аппарат для подзарядки.
На сегодняшний момент это точно лучшая технология на рынке, но есть одна проблема: для нас это слишком дорого. Один элемент питания от AT Energy может стоить порядка 500 тыс. руб. — на порядок выше, чем литиево-полимерный аккумулятор. Да, это в полтора раза дешевле иностранных аналогов, но нам надо в десять. Мы не военные, у которых есть бюджеты, мы коммерческая компания и не готовы платить большие деньги. Это для военных характеристики беспилотника важнее, чем его стоимость, а для коммерции наоборот — лучше пусть он будет хуже, но дешевле».
«Время полета дрона для многих задач является самым важным фактором»
Максим Шинкевич, гендиректор группы компаний «Беспилотные системы»
«Мы очень хорошо знакомы с компанией AT Energy и подписали с ними соглашение о сотрудничестве. Мы недавно закончили разработку нового мультикоптера увеличенного размера с полезной нагрузкой до 2 кг, который будет оснащен топливными элементами от AT Energy и будет летать на них от 2,5 до 4 часов. На литиевых аккумуляторах такой дрон летал бы всего 30 минут. Этот беспилотник может использоваться как в гражданских, так и в военных целях — это комплекс видеонаблюдения для поиска и спасания людей, мы уже готовы запускать его в серию. У нас уже есть на него первый гражданский заказчик, как только мы покажем его в действии, появятся и другие контракты.
Одна из главных проблем в массовом использовании топливных элементов — отсутствие сети станций для их зарядки. Они дороже аккумуляторов (в результате стоимость дрона с их использованием увеличивается на 15%), но взамен вы приобретаете увеличение продолжительности полета более чем в два раза. Время полета дрона для многих задач является самым важным фактором».
Наталья Суворова
