Як працює паливний елемент?

Принцип роботи

Паливний елемент – це електрохімічний пристрій, що поєднує водневе паливо з киснем для виробництва електроенергії, тепла та води. Його робота схожа на акумулятор: реакція триває доти, доки подається паливо. Водень зберігається у резервуарі під тиском, а кисень надходить з повітря. Завдяки відсутності процесу горіння немає шкідливих викидів, а єдиним побічним продуктом є чиста вода.

По суті, паливний елемент — це зворотний електроліз, з використанням двох електродів, розділених електролітом. Анод (негативний електрод) отримує водень, а катод (позитивний електрод) збирає кисень. Каталізатор на аноді розділяє водень на позитивно заряджені іони водню та електрони. Кисень іонізується та мігрує через електроліт до анодного відсіку, де з'єднується з воднем. Один паливний елемент виробляє 0,6–0,8 В під навантаженням. Для отримання вищих напруг кілька елементів з'єднуються послідовно. Рисунок 1 ілюструє концепцію паливного елемента.

Рисунок 1: Концепція паливного елемента
Анод (негативний електрод) приймає водень, а катод (позитивний електрод) збирає кисень.

Переваги та виклики

Технологія паливних елементів вдвічі ефективніша за спалювання в перетворенні вуглецевого палива на енергію. Водень, найпростіший хімічний елемент (один протон і один електрон), поширений і надзвичайно чистий як паливо. Водень становить 90 відсотків Всесвіту і є третім за поширеністю елементом на поверхні Землі. Таке багатство палива забезпечило б майже необмежений запас чистої енергії за відносно низькою ціною. Але є один нюанс.

У більшості видів палива водень зв'язується з іншими речовинами, і «вивільнення» газу вимагає енергії. З погляду чистої теплотворної здатності (ЧТЗ), виробництво водню дорожче, ніж бензину. Дехто стверджує, що водень майже енергетично нейтральний , тобто для його виробництва потрібно стільки ж енергії, скільки й постачається кінцевому пункту призначення. 

Зберігання водню має ще один недолік. Для водню під тиском потрібні важкі сталеві резервуари, а його чиста теплотворна здатність (NCV) за об'ємом приблизно в 24 рази нижча, ніж у рідкого нафтопродукту. У рідкій формі, яка набагато щільніша, водень потребує значної ізоляції для зберігання в холоді.

Водень також можна виробляти за допомогою риформера шляхом екстракції з існуючого палива, такого як метанол, пропан, бутан або природний газ. Перетворення викопного палива на чистий водень вивільняє певну кількість вуглецю, але він на 90 відсотків менш шкідливий, ніж той, що потрапляє з вихлопної труби автомобіля. Перевезення риформера збільшить вагу транспортного засобу та його вартість, риформери також є повільними. Чиста вигода від перетворення водню під питанням, оскільки вона не вирішує енергетичну проблему.

Історичний розвиток

Сер Вільям Гроув, валлійський суддя та вчений-джентльмен, розробив концепцію паливних елементів у 1839 році, але винахід так і не отримав успіху. Це сталося під час розробки двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), який показав багатообіцяючі результати. Лише у 1960-х роках паливні елементи були практично використані під час космічної програми «Джеміні». NASA віддавала перевагу цьому чистому джерелу енергії над ядерною чи сонячною енергією. Обрана система лужних паливних елементів виробляла електроенергію та питну воду для астронавтів.

Висока вартість матеріалів зробила паливні елементи неприпустимими для комерційного використання. Серцевина (стек) паливних елементів є дорогою та має обмежений термін служби. Спалювання викопного палива в двигуні внутрішнього згоряння є найпростішим та найефективнішим способом отримання енергії, але воно забруднює навколишнє середовище.

Висока вартість не відбила бажання покійного Карла Кордеша, співвинахідника лужної батареї, переобладнати свій автомобіль на лужний паливний елемент на початку 1970-х років. Він встановив водневий бак на даху, а паливний елемент і резервні батареї розмістив у багажнику.

Лужні паливні елементи (ЛПЕ)

Лужні паливні елементи стали переважною технологією для аерокосмічної галузі, включаючи космічні човники. Витрати на виробництво та експлуатацію низькі, особливо для стеку. У той час як сепаратор для PEM коштує від 800 до 1100 доларів за квадратний метр, той самий матеріал для лужної системи майже не потребує витрат. (Сепаратор для свинцево-кислотної батареї коштує 5 доларів за квадратний метр.) Управління водними ресурсами просте і не потребує компресорів та інших периферійних пристроїв; ефективність знаходиться в межах 60 відсотків. Недоліком є ​​те, що AFC має більші фізичні розміри, ніж PEM, і потребує чистого кисню та водню як палива. Кількість вуглекислого газу, присутнього в забрудненому місті, може отруїти стек, і це обмежує використання AFC спеціалізованими застосуваннями.

Твердооксидний паливний елемент (SOFC)

Електроенергетичні компанії використовують три типи паливних елементів: паливні елементи з розплавленого карбонату, фосфорної кислоти та твердого оксиду. Серед цих варіантів твердий оксид (SOFC) є найменш розвиненим, але він знову привернув увагу завдяки проривам у матеріалах елементів та конструкції пакетів. Замість роботи при дуже високій робочій температурі 800–1000°C (1472–1832°F), нове покоління керамічного матеріалу знизило температуру осердя до більш контрольованих 500–600°C (932–1112°F). Це дозволяє використовувати звичайну нержавіючу сталь замість дорогої кераміки для допоміжних деталей.

Висока температура дозволяє безпосередньо витягувати водень з природного газу за допомогою процесу каталітичного риформінгу. Чадний газ, забруднювач для PEM, є паливом для SOFC. Здатність використовувати вуглецеве паливо без спеціального риформінгу та забезпечення високої ефективності надає значні переваги для цього типу паливних елементів. Когенерація шляхом роботи парогенераторів з побічного продукту тепла підвищує ефективність SOFC до 60 відсотків, що є одним з найвищих показників серед паливних елементів. Як негативна, висока температура димової труби вимагає екзотичних матеріалів для осердя, що збільшує виробничі витрати та скорочує термін служби.

Паливний елемент прямого метанолу (DMFC)

Портативні паливні елементи привернули увагу, і найперспективнішою розробкою є паливний елемент прямого метанолу . Цей невеликий пристрій недорогий у виробництві, зручний у використанні та не потребує стисненого водню. DMFC має хороші електрохімічні характеристики, а заправка здійснюється шляхом впорскування рідини або заміни картриджа. Це дозволяє продовжувати роботу без простоїв.

Виробники визнають, що пряма заміна акумуляторів паливними елементами відбудеться ще за кілька років. Щоб подолати цей проміжок, мікропаливний елемент служить зарядним пристроєм для забезпечення безперервної роботи бортового акумулятора. Крім того, метанол є токсичним і легкозаймистим, і існують обмеження щодо кількості палива, яке пасажири можуть перевозити в літаку. У 2008 році Міністерство транспорту видало постанову, яка дозволяє пасажирам та екіпажу перевозити затверджений паливний елемент із встановленим метанольним картриджем та до двох додаткових запасних картриджів об'ємом 200 мл (6,76 рідких унцій). Це положення поки що не поширюється на балонний водень.

На рисунку 2 зображено мікропаливний елемент від Toshiba, а на рисунку 3 — заправку метанолом чистотою 99,5 відсотка.

Рисунок 2: Мікропаливний елемент.
Цей прототип мікропаливного елемента здатний забезпечувати безперервну потужність 300 мВт.

Рисунок 3: Паливний елемент Toshiba з картриджем для заправки.
Паливо в резервуарі об'ємом 10 мл складається з метанолу з чистотою 99,5%.

Впроваджуються вдосконалення, і Toshiba представила прототипи паливних елементів для ноутбуків та інших застосувань, що генерують від 20 до 100 Вт. Ці пристрої компактні, а питома енергія порівнянна з енергією нікель-кадмієвого акумулятора. Тим часом Panasonic стверджує, що подвоїла вихідну потужність при аналогічному розмірі, вказавши термін служби 5000 годин, якщо паливний елемент використовується періодично протягом 8 годин на день. Низький термін служби цих паливних елементів був проблемою, з якою доводилося рахуватися.

Робляться спроби використання невеликих паливних елементів, що працюють на накопиченому водні. Підвищена ефективність та менший розмір є перевагами чистого водню над метанолом. Ці мініатюрні системи не мають насосів і вентиляторів і абсолютно безшумні. Кажуть, що картридж об'ємом 21 куб. см забезпечує еквівалент енергії приблизно 10 лужних батарейок типу АА з часом роботи між перезарядками 20 годин. Це підходить для портативних комп'ютерів, бездротового зв'язку та ліхтариків для велосипедистів-одиночок.

Військові та рекреаційні користувачі також експериментують з мініатюрними паливними елементами. На рисунку 4 зображено портативний паливний елемент, виготовлений компанією SFC Smart Fuel Cell. Паливний елемент EFOY випускається з різною потужністю від 600 до 2160 ват-годин на день.

Рисунок 4: Портативний паливний елемент для споживчого ринку
Паливний елемент перетворює водень і кисень на електрику, а єдиним побічним продуктом є чиста вода. Паливні елементи можна використовувати в приміщенні як генератор електроенергії.

У таблиці 5 описано застосування та підсумовано переваги й обмеження поширених паливних елементів. У таблиці також включено системи паливних елементів на основі розплавленого карбонату (MCFC) та фосфорної кислоти (PAFC) – класичні системи паливних елементів, які існують вже деякий час і мають унікальні переваги.

Розробки

Обмеження включають повільний час запуску, низьку вихідну потужність, повільну реакцію на вимогу до потужності, погані можливості навантаження, вузьку смугу пропускання потужності, короткий термін служби та високу вартість. Подібно до акумуляторів, продуктивність усіх паливних елементів знижується з віком, і стек поступово втрачає ефективність. Такі втрати продуктивності набагато менш помітні у двигунах внутрішнього згоряння.

Паливні елементи потужністю менше 1 кВт зазвичай не перебувають під тиском і використовують лише вентилятор для забезпечення подачі кисню; паливні елементи потужністю понад 1 кВт перебувають під тиском і містять компресор, що знижує ефективність, і система може бути досить шумною. Відносно високий внутрішній опір паливних елементів створює додаткову проблему. Кожен елемент стеку виробляє близько 1 вольта в розімкнутому колі; велике навантаження викликає помітне падіння напруги. Подібно до акумулятора, смуга пропускання потужності зменшується з віком. Окремі елементи в стеку також відомі тим, що викликають збої, а забруднюючі речовини є значним фактором. На рисунку 6 показано залежність напруги та смуги пропускання потужності від навантаження.

Рисунок 6: Діапазон потужності портативного паливного елемента. Високий внутрішній опір призводить до швидкого падіння напруги елемента з навантаженням.
Діапазон потужності обмежений діапазоном від 300 до 800 мА 

Паливні елементи найкраще працюють при коефіцієнті навантаження 30 відсотків, вищі навантаження знижують ефективність. Це, а також погана реакція дросельної заслінки, переводять паливний елемент у режим підтримки або заряджання для підтримки заряду акумуляторів. Автономного джерела живлення, як сподівалися розробники, так і не з'явилося.

Довголіття

Результати досліджень довговічності паливних елементів PEM стають доступними після 20 років експлуатації в автобусах. Типовий термін служби в помірному кліматі, такому як Каліфорнія та Англія, становить 32 000 годин, перш ніж потужність падає до 80%, що означає закінчення терміну служби. Багато невирішених проблем було вирішено за допомогою електронного моніторингу.

Автобуси та вантажівки на паливних елементах для далеких маршрутів перевершують акумуляторні лише завдяки запасу ходу. Заправка займає менше 10 хвилин, як і в дизельних автобусах. Інфраструктура, необхідна для заправки воднем, вважається дешевшою та компактнішою порівняно з підзарядкою акумуляторів у великих транспортних засобах. Більше інформації можна знайти за адресою

Парадокс паливного елемента

Паливні елементи досягли піку популярності в 1990-х роках, коли вчені та фондові інвестори уявляли світ, що працює на чистому та невичерпному ресурсі — водні. Вони передбачали, що автомобілі працюватимуть на паливних елементах, а також що електроенергія для побутових потреб також буде вироблятися паливними елементами. Ціни на акції різко зросли, але незначна продуктивність, високі виробничі витрати та обмежений термін служби стримували водневу мрію.

Казали, що паливні елементи змінять світ, як це зробив мікропроцесор у 1970-х роках. Стане доступним чисте та невичерпне джерело енергії, яке вирішить екологічні проблеми, пов'язані зі спалюванням викопного палива. З 1999 по 2001 рік понад 2000 організацій активно долучилися до розробки паливних елементів, а чотири найбільші публічні компанії з виробництва паливних елементів у Північній Америці залучили понад мільярд доларів США шляхом публічного розміщення акцій. Що пішло не так?

Водень сам по собі не є джерелом енергії, а лише середовищем для її транспортування та зберігання, подібним до електрики, яка заряджає акумулятор. Щоб уявити собі «спалювання нескінченного запасу водню», паливо спочатку потрібно виробити, оскільки водень неможливо видобути з землі, як це можливо з нафтою. Хоча викопне паливо добре підходить для виробництва водню, використання цього цінного палива для вивільнення водню не має сенсу, коли його видобуток коштує стільки ж або й більше, ніж його пряме спалювання. Єдина перевага — зменшення викидів парникових газів.

Так само, як спроба запускати літаки на паровому двигуні зазнала невдачі в середині 1800-х років, цілком можливо, що паливні елементи ніколи не стануть тією потужністю, на яку сподівалися вчені. Але в Японії відродився інтерес до автомобільної галузі. Паливні елементи замінюють акумуляторні батареї та дизельні генератори в офісних будівлях, оскільки їх можна встановлювати у тісних місцях для зберігання з мінімальним обслуговуванням та без необхідності вихлопних газів. Паливні елементи дозволяють безперервну та екологічно чисту роботу вилкових навантажувачів на складах, тоді як 40M паливні елементи генерують чисту електроенергію у віддалених місцях. Кінцева мрія — рухати транспортні засоби за допомогою чистих паливних елементів.

Паливні елементи можуть колись рулити літаки з електричними двигунами маточин коліс. Це зменшить забруднення та заощадить до 4 відсотків палива, оскільки реактивні двигуни не працюватимуть. Вода, що утворюється з паливних елементів під час заряджання акумуляторів, може служити питною водою на борту, рекуперативне гальмування може додатково допомогти в заряджання акумуляторів та суперконденсаторів для швидкого прийняття заряду. Кінцева мрія — рухати літаки та транспортні засоби за допомогою чистих паливних елементів.