Как работает топливный элемент?

Принцип работы

Топливный элемент – это электрохимическое устройство, которое соединяет водородное топливо с кислородом для производства электроэнергии, тепла и воды. Его работа похожа на аккумулятор: реакция продолжается до тех пор, пока подается топливо. Водород хранится в резервуаре под давлением, а кислород поступает из воздуха. Благодаря отсутствию процесса горения нет вредных выбросов, а единственным побочным продуктом является чистая вода.

По сути, топливный элемент — это обратный электролиз, с использованием двух электродов, разделенных электролитом. Анод (отрицательный электрод) получает водород, а катод (положительный электрод) собирает кислород. Катализатор на аноде разделяет водород на положительно заряженные ионы водорода и электроны. Кислород ионизируется и мигрирует через электролит в анодный отсек, где соединяется с водородом. Один топливный элемент производит 0,6–0,8 В под нагрузкой. Для получения более высоких напряжений несколько элементов соединяются последовательно. Рисунок 1 иллюстрирует концепцию топливного элемента.

Рисунок 1: Концепция топливного элемента
Анод (отрицательный электрод) принимает водород, а катод (положительный электрод) собирает кислород.

Преимущества и вызовы

Технология топливных элементов вдвое эффективнее сжигания при преобразовании углеродного топлива в энергию. Водород, самый простой химический элемент (один протон и один электрон), распространен и чрезвычайно чист в качестве топлива. Водород составляет 90 процентов Вселенной и является третьим по распространенности элементом на поверхности Земли. Такое изобилие топлива обеспечило бы почти неограниченный запас чистой энергии по относительно низкой цене. Но есть один нюанс.

В большинстве видов топлива водород связан с другими веществами, и «высвобождение» газа требует энергии. С точки зрения чистой теплотворной способности (ЧТС), производство водорода дороже, чем бензина. Некоторые утверждают, что водород почти энергетически нейтрален, то есть для его производства требуется столько же энергии, сколько и поставляется в конечный пункт назначения.

Хранение водорода имеет еще один недостаток. Для водорода под давлением требуются тяжелые стальные резервуары, а его чистая теплотворная способность (NCV) по объему примерно в 24 раза ниже, чем у жидкого нефтепродукта. В жидкой форме, которая намного плотнее, водород требует значительной изоляции для хранения в холоде.

Водород также можно производить с помощью риформера путем экстракции из существующего топлива, такого как метанол, пропан, бутан или природный газ. Преобразование ископаемого топлива в чистый водород высвобождает некоторое количество углерода, но он на 90 процентов менее вреден, чем тот, что попадает из выхлопной трубы автомобиля. Перевозка риформера увеличит вес транспортного средства и его стоимость, риформеры также медлительны. Чистая выгода от преобразования водорода под вопросом, поскольку она не решает энергетическую проблему.

Историческое развитие

Сэр Уильям Гроув, валлийский судья и ученый-джентльмен, разработал концепцию топливных элементов в 1839 году, но изобретение так и не получило успеха. Это произошло во время разработки двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который показал многообещающие результаты. Лишь в 1960-х годах топливные элементы были практически использованы во время космической программы «Джемини». NASA отдавала предпочтение этому чистому источнику энергии перед ядерной или солнечной энергией. Выбранная система щелочных топливных элементов производила электроэнергию и питьевую воду для астронавтов.

Высокая стоимость материалов сделала топливные элементы неприемлемыми для коммерческого использования. Сердцевина (стек) топливных элементов дорога и имеет ограниченный срок службы. Сжигание ископаемого топлива в двигателе внутреннего сгорания является самым простым и эффективным способом получения энергии, но оно загрязняет окружающую среду.

Высокая стоимость не отбила желание у покойного Карла Кордеша, соавтора щелочной батареи, переоборудовать свой автомобиль на щелочной топливный элемент в начале 1970-х годов. Он установил водородный бак на крыше, а топливный элемент и резервные батареи разместил в багажнике.

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы стали преобладающей технологией для аэрокосмической отрасли, включая космические челноки. Затраты на производство и эксплуатацию низкие, особенно для стека. В то время как сепаратор для PEM стоит от 800 до 1100 долларов за квадратный метр, тот же материал для щелочной системы почти не требует затрат. (Сепаратор для свинцово-кислотной батареи стоит 5 долларов за квадратный метр.) Управление водными ресурсами простое и не требует компрессоров и других периферийных устройств; эффективность находится в пределах 60 процентов. Недостатком является то, что AFC имеет большие физические размеры, чем PEM, и требует чистого кислорода и водорода в качестве топлива. Количество углекислого газа, присутствующего в загрязненном городе, может отравить стек, и это ограничивает использование AFC специализированными применениями.

Твердооксидный топливный элемент (SOFC)

Электроэнергетические компании используют три типа топливных элементов: топливные элементы из расплавленного карбоната, фосфорной кислоты и твердого оксида. Среди этих вариантов твердый оксид (SOFC) является наименее развитым, но он снова привлек внимание благодаря прорывам в материалах элементов и конструкции пакетов. Вместо работы при очень высокой рабочей температуре 800–1000°C (1472–1832°F), новое поколение керамического материала снизило температуру сердечника до более контролируемых 500–600°C (932–1112°F). Это позволяет использовать обычную нержавеющую сталь вместо дорогой керамики для вспомогательных деталей.

Высокая температура позволяет непосредственно извлекать водород из природного газа с помощью процесса каталитического риформинга. Угарный газ, загрязнитель для PEM, является топливом для SOFC. Способность использовать углеродное топливо без специального риформинга и обеспечение высокой эффективности предоставляют значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Когенерация путем работы парогенераторов от побочного продукта тепла повышает эффективность SOFC до 60 процентов, что является одним из самых высоких показателей среди топливных элементов. В качестве негативного момента, высокая температура дымовой трубы требует экзотических материалов для сердечника, что увеличивает производственные затраты и сокращает срок службы.

Топливный элемент прямого метанола (DMFC)

Портативные топливные элементы привлекли внимание, и самой перспективной разработкой является топливный элемент прямого метанола. Это небольшое устройство недорогое в производстве, удобное в использовании и не требует сжатого водорода. DMFC имеет хорошие электрохимические характеристики, а заправка осуществляется путем впрыскивания жидкости или замены картриджа. Это позволяет продолжать работу без простоев.

Производители признают, что прямая замена аккумуляторов топливными элементами произойдет еще через несколько лет. Чтобы преодолеть этот промежуток, микротопливный элемент служит зарядным устройством для обеспечения непрерывной работы бортового аккумулятора. Кроме того, метанол является токсичным и легковоспламеняющимся, и существуют ограничения по количеству топлива, которое пассажиры могут перевозить в самолете. В 2008 году Министерство транспорта издало постановление, которое позволяет пассажирам и экипажу перевозить утвержденный топливный элемент с установленным метанольным картриджем и до двух дополнительных запасных картриджей объемом 200 мл (6,76 жидких унций). Это положение пока не распространяется на баллонный водород.

На рисунке 2 изображен микротопливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 — заправка метанолом чистотой 99,5 процента.

Рисунок 2: Микротопливный элемент.
Этот прототип микротопливного элемента способен обеспечивать непрерывную мощность 300 мВт.

Рисунок 3: Топливный элемент Toshiba с картриджем для заправки.
Топливо в резервуаре объемом 10 мл состоит из метанола с чистотой 99,5%.

Внедряются усовершенствования, и Toshiba представила прототипы топливных элементов для ноутбуков и других применений, генерирующих от 20 до 100 Вт. Эти устройства компактны, а удельная энергия сравнима с энергией никель-кадмиевого аккумулятора. Тем временем Panasonic утверждает, что удвоила выходную мощность при аналогичном размере, указав срок службы 5000 часов, если топливный элемент используется периодически в течение 8 часов в день. Низкий срок службы этих топливных элементов был проблемой, с которой приходилось считаться.

Предпринимаются попытки использования небольших топливных элементов, работающих на накопленном водороде. Повышенная эффективность и меньший размер являются преимуществами чистого водорода над метанолом. Эти миниатюрные системы не имеют насосов и вентиляторов и абсолютно бесшумны. Говорят, что картридж объемом 21 куб. см обеспечивает эквивалент энергии примерно 10 щелочных батареек типа АА со временем работы между перезарядками 20 часов. Это подходит для портативных компьютеров, беспроводной связи и фонариков для велосипедистов-одиночек.

Военные и рекреационные пользователи также экспериментируют с миниатюрными топливными элементами. На рисунке 4 изображен портативный топливный элемент, изготовленный компанией SFC Smart Fuel Cell. Топливный элемент EFOY выпускается с различной мощностью от 600 до 2160 ватт-часов в день.

Рисунок 4: Портативный топливный элемент для потребительского рынка
Топливный элемент превращает водород и кислород в электричество, а единственным побочным продуктом является чистая вода. Топливные элементы можно использовать в помещении в качестве генератора электроэнергии.

В таблице 5 описаны применения и обобщены преимущества и ограничения распространенных топливных элементов. В таблицу также включены системы топливных элементов на основе расплавленного карбоната (MCFC) и фосфорной кислоты (PAFC) – классические системы топливных элементов, которые существуют уже некоторое время и имеют уникальные преимущества.

Разработки

Ограничения включают медленное время запуска, низкую выходную мощность, медленную реакцию на требование к мощности, плохие возможности нагрузки, узкую полосу пропускания мощности, короткий срок службы и высокую стоимость. Подобно аккумуляторам, производительность всех топливных элементов снижается с возрастом, и стек постепенно теряет эффективность. Такие потери производительности гораздо менее заметны у двигателей внутреннего сгорания.

Топливные элементы мощностью менее 1 кВт обычно не находятся под давлением и используют лишь вентилятор для обеспечения подачи кислорода; топливные элементы мощностью более 1 кВт находятся под давлением и содержат компрессор, что снижает эффективность, и система может быть довольно шумной. Относительно высокое внутреннее сопротивление топливных элементов создает дополнительную проблему. Каждый элемент стека производит около 1 вольта в разомкнутой цепи; большая нагрузка вызывает заметное падение напряжения. Подобно аккумулятору, полоса пропускания мощности уменьшается с возрастом. Отдельные элементы в стеке также известны тем, что вызывают сбои, а загрязняющие вещества являются значительным фактором. На рисунке 6 показана зависимость напряжения и полосы пропускания мощности от нагрузки.

Рисунок 6: Диапазон мощности портативного топливного элемента. Высокое внутреннее сопротивление приводит к быстрому падению напряжения элемента с нагрузкой.
Диапазон мощности ограничен диапазоном от 300 до 800 мА

Топливные элементы лучше всего работают при коэффициенте нагрузки 30 процентов, более высокие нагрузки снижают эффективность. Это, а также плохая реакция дроссельной заслонки, переводят топливный элемент в режим поддержки или зарядки для поддержания заряда аккумуляторов. Автономного источника питания, как надеялись разработчики, так и не появилось.

Долговечность

Результаты исследований долговечности топливных элементов PEM становятся доступными после 20 лет эксплуатации в автобусах. Типичный срок службы в умеренном климате, таком как Калифорния и Англия, составляет 32 000 часов, прежде чем мощность падает до 80%, что означает окончание срока службы. Многие нерешенные проблемы были решены с помощью электронного мониторинга.

Автобусы и грузовики на топливных элементах для дальних маршрутов превосходят аккумуляторные только благодаря запасу хода. Заправка занимает менее 10 минут, как и у дизельных автобусов. Инфраструктура, необходимая для заправки водородом, считается дешевле и компактнее по сравнению с подзарядкой аккумуляторов в крупных транспортных средствах.

Парадокс топливного элемента

Топливные элементы достигли пика популярности в 1990-х годах, когда ученые и фондовые инвесторы представляли мир, работающий на чистом и неисчерпаемом ресурсе — водороде. Они предвидели, что автомобили будут работать на топливных элементах, а также что электроэнергия для бытовых нужд также будет производиться топливными элементами. Цены на акции резко выросли, но незначительная производительность, высокие производственные затраты и ограниченный срок службы сдерживали водородную мечту.

Говорили, что топливные элементы изменят мир, как это сделал микропроцессор в 1970-х годах. Станет доступным чистый и неисчерпаемый источник энергии, который решит экологические проблемы, связанные со сжиганием ископаемого топлива. С 1999 по 2001 год более 2000 организаций активно включились в разработку топливных элементов, а четыре крупнейшие публичные компании по производству топливных элементов в Северной Америке привлекли более миллиарда долларов США путем публичного размещения акций. Что пошло не так?

Водород сам по себе не является источником энергии, а лишь средой для ее транспортировки и хранения, подобным электричеству, которое заряжает аккумулятор. Чтобы представить себе «сжигание бесконечного запаса водорода», топливо сначала нужно произвести, поскольку водород невозможно добыть из земли, как это возможно с нефтью. Хотя ископаемое топливо хорошо подходит для производства водорода, использование этого ценного топлива для высвобождения водорода не имеет смысла, когда его добыча стоит столько же или даже больше, чем его прямое сжигание. Единственное преимущество — уменьшение выбросов парниковых газов.

Так же, как попытка запускать самолеты на паровом двигателе потерпела неудачу в середине 1800-х годов, вполне возможно, что топливные элементы никогда не станут той мощностью, на которую надеялись ученые. Но в Японии возродился интерес к автомобильной отрасли. Топливные элементы заменяют аккумуляторные батареи и дизельные генераторы в офисных зданиях, поскольку их можно устанавливать в тесных местах для хранения с минимальным обслуживанием и без необходимости выхлопных газов. Топливные элементы позволяют непрерывную и экологически чистую работу вилочных погрузчиков на складах, в то время как 40M топливные элементы генерируют чистую электроэнергию в удаленных местах. Конечная мечта — двигать транспортные средства с помощью чистых топливных элементов.

Топливные элементы могут когда-нибудь рулить самолетами с электрическими двигателями ступиц колес. Это уменьшит загрязнение и сэкономит до 4 процентов топлива, поскольку реактивные двигатели не будут работать. Вода, образующаяся из топливных элементов во время зарядки аккумуляторов, может служить питьевой водой на борту, рекуперативное торможение может дополнительно помочь в зарядке аккумуляторов и суперконденсаторов для быстрого принятия заряда. Конечная мечта — двигать самолеты и транспортные средства с помощью чистых топливных элементов.