Топливный элемент — устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.
Особенности
Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.
Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.
История появления
В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета — электричество, воду и тепло.
Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века — в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.
Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.
Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные способы получения электроэнергии. Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.
Принцип работы
Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.
Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.
Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории — высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.
Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.
Общие понятия
Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.
Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов — катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.
Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.
Преимущества водородных топливных ячеек
Среди них следует выделить:
- Повышенная удельная теплоемкость.
- Широкий температурный диапазон эксплуатации.
- Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
- Надежность при холодном запуске.
- Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
- Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
- Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
- Длительный срок эксплуатации.
- Бесшумность и экологичность работы.
- Высокий уровень энергоемкости.
- Толерантность к сторонним примесям в водороде.
Область применения
Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:
- Портативные зарядные устройства.
- Энергоснабжающие системы для БПЛА.
- Источники бесперебойного питания.
- Прочие устройства и оборудование.
Перспективы водородной энергетики
Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка — высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.
Как собрать топливный элемент на водороде?
Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.
Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины — порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.
В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента — он будет использоваться в качестве электрода.
Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.
Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.
Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью — электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку — заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.
В данной статье речь пойдет о водородных топливных элементах, о тенденциях и перспективах их применения. Топливные элементы на основе водорода притягивают сегодня все большее внимание специалистов автомобильной отрасли, ведь если 20 век был веком ДВС, то 21 век может стать веком водородной энергетики в автомобилестроении. Уже сегодня благодаря водородным элементам действуют космические корабли, а в некоторых странах мира водород уже более 10 лет используют для получения электроэнергии.
Водородный топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство вроде батарейки, которое вырабатывает электричество посредством химической реакции между водородом и кислородом, а продуктом химической реакции является чистая вода, тогда как при сжигании например природного газа образуется экологически вредный углекислый газ.
К тому же водородные элементы способны работать с более высоким КПД, вот почему на них возлагаются особенно большие надежды. Только представьте, эффективные двигатели автомобилей без вреда для окружающей среды. Вот только на данный момент вся инфраструктура выстроена и специализирована под нефтепродукты, и широкомасштабное внедрение водородных элементов в автомобилестроение натыкается на это и другие препятствия.
А между тем, еще с 1839 года известно, что водород и кислород можно соединить химическим путем и получить при этом электрический ток, то есть процесс электролиза воды обратим — это подтвержденный научный факт. Уже в 19 веке топливные элементы начали изучаться, однако развитие нефтедобычи и создание двигателя внутреннего сгорания оставило водородные источники энергии позади, и они стали чем-то экзотическим, не рентабельным, дорогим в производстве.
В 1950-е НАСА была вынуждена прибегнуть к водородным топливным элементам, и то по острой необходимости. Им требовался компактный и эффективный генератор электроэнергии для космических кораблей. В результате Apollo и Gemini полетели в космос на водородных топливных элементах — это оказалось лучшим решением.
На сегодняшний день топливные элементы полностью вышли из области экспериментальных технологий, и за последние 20 лет были достигнуты заметные успехи в плане их более широкой коммерциализации.
На водородные топливные элементы не зря возлагают большие надежды. В процессе их работы загрязнение окружающей среды минимально, технические преимущества и безопасность очевидны, кроме того данный вид топлива принципиально автономен и способен заменить тяжелые и дорогие литиевые батареи.
Топливо водородного элемента преобразуется в энергию прямо в ходе химической реакции, причем энергии здесь получается больше чем при обычном сгорании. Топлива расходуется меньше, а эффективность оказывается втрое выше чем у аналогичного устройства на ископаемом топливе.
Эффективность будет тем выше, чем лучше организован способ утилизации воды и тепла, образующихся в ходе реакции. Выброс вредных веществ минимален, ведь выделяется только вода, энергия и тепло, тогда как даже при самом успешно организованном процессе сжигания традиционного топлива неизбежно образуются оксиды азота, серы, углерода и прочие ненужные продукты сгорания.
К тому же отрасли добывающие обычное топливо сами по себе пагубно влияют на окружающую среду, а водородные топливные элементы позволяют избежать опасного вторжения в экосистему, поскольку добыча водорода возможна из полностью возобновляемых источников энергии. Даже утечка этого газа безопасна, так как он мгновенно улетучивается.
Топливному элементу без разницы, из какого известного топлива получен водород для его работы. Плотность энергии в кВт-ч/л будет одной и той же, причем данный показатель постоянно повышается с совершенствованием технологии создания топливных элементов.
Сам же водород может быть получен из любого удобного местного источника, будь то природный газ, уголь, биомасса или электролиз (за счет ветряной, солнечной энергии и т. д.) Зависимость от поставщиков электроэнергии из регионов пропадает, системы вообще независимы от электросетей.
Рабочие температуры элемента достаточно низки, и могут лежать в диапазоне от 80 до 1000°C, в зависимости от типа элемента, тогда как температура в обычном современном двигателе внутреннего сгорания доходит до 2300 °C. Топливный элемент компактен, издает минимум шума во время генерации, выброс вредных веществ отсутствует, поэтому он может быть размещен в любом удобном месте системы, в составе которой работает.
В принципе не только электроэнергия, но и тепло, которое высвобождается во время химической реакции, может быть утилизировано на полезные цели, например на подогрев воды, отопление помещений или получение холода, — при таком подходе КПД генерации энергии в элементе приблизится к 90%.
Элементы чувствительны к изменению нагрузки, поэтому при повышении мощности потребителя нужно подводить больше топлива. Это подобно тому, как работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания или генератор. Технически топливный элемент реализуется достаточно просто, ведь тут нет подвижных деталей, конструкция получается простой и надежной, вероятность ее отказа принципиально крайне мала.
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную (нафион, полибензимидазол и др.) мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Да, электрокары сегодня работают на литиевых батареях. Однако топливные водородные элементы могут их заменить. Вместо батареи будет стоять источник питания гораздо легче весом. К тому же мощность машины может быть повышена вовсе не за счет увеличения веса из-за добавления ячеек аккумуляторов, а просто регулировкой подачи топлива в систему, пока оно есть в баллоне. Поэтому производители автомобилей возлагают на топливные элементы с водородом большие надежды.
Более 10 лет назад работы по созданию автомобилей на водороде начались во многих странах мира, особенно в США и Европе. Кислород может добываться прямо из атмосферного воздуха при помощи особой фильтрующей компрессорной установки, располагаемой на борту автомобиля. Сжатый водород хранится в сверхпрочном баллоне под давлением порядка 400 атм. Заправка длится считанные минуты.
Концепция экологически чистого городского транспорта с середины нулевых годов 21 века реализуется в Европе: в Амстердаме, Гамбурге, Барселоне и Лондоне уже давно можно встретить такие пассажирские автобусы. В условиях мегаполиса крайне важно отсутствие вредных выбросов и пониженный шум. В Германии в 2018 г. пущен первый железнодорожный пассажирский состав на водородном топливе Coradia iLint. К 2021 г. запланирован пуск ещё 14 таких поездов.
В ближайшие 40 лет переход на водород как на основной источник энергии для автомобилей мог бы перевернуть энергетику и экономику мира. Хотя сейчас ясно, что нефть и газ останутся главными на рынке топлива как минимум еще лет 10. Тем не менее некоторые государства уже сейчас вкладывают деньги в создание машин на водородных топливных элементах, несмотря на то, что предстоит преодолеть много технических и экономических барьеров.
Создание водородной инфраструктуры, безопасных заправочных станций — вот главная задача, ведь водород — взрывоопасный газ. Так или иначе, с водородом стоимость топлива и содержания транспорта может быть сильно уменьшена, а надежность — повышена.
По прогнозам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут расходовать 1900 тераватт-час вместо нынешних 13 млн баррелей в сутки, что составит 8% от спроса на электричество, в то время как 70% добываемой в мире нефти уходит сегодня именно на производство топлива для транспорта. Конечно, на данный момент перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными элементами.
В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался всего в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.
Так, в 2017 году был создан «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупных производителей автомобилей, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее широкое внедрение.
Дата публикации: 27 апреля 2016
В ходе испытаний в подмосковной Черноголовке октакоптер российской фирмы НЕЛК, снабженный водородно-воздушными топливными элементами, созданными в Институте проблем химической физики РАН (ИПХФ), установил мировой рекорд по продолжительности полета на открытых пространствах среди мультироторных беспилотников. Длительность полета октакоптера составила 3 часа 10 минут. Разработка инновационной топливной системы, позволившей аппарату находиться в воздухе столь продолжительное время, была выполнена в партнерстве с Центральным институтом авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) и Объединенной авиастроительной корпорацией (ОАК).
— Серию испытаний проводили в подмосковной Черноголовке больше года — с марта 2015 по апрель 2016 года, — рассказал исполнительный директор фирмы НЕЛК Игорь Василевский. — Летательный аппарат оснащается электрохимическим источником питания — энергоустановкой с применением водородно-воздушных топливных элементов. Аппарат поднимает полезную нагрузку в полкилограмма. Водородно-воздушные топливные элементы отечественной разработки позволяют делать рекордный налет в условиях холодов российской зимы, а также высокой влажности.
Масса октакоптера составила 12 кг, энергетическая установка имела мощность 1,3 кВт, полезная нагрузка — 0,5 кг.
Водородное топливо считается наиболее перспективным в транспортной сфере, поэтому разработки в данном направлении ведет несколько компаний. Впечатляющие результаты демонстрирует канадский разработчик EnergyOr Technologies. В июне 2015 года EnergyOr сообщила о рекордной продолжительности полета коптера на водородном топливе, который длился 3 часа 43 минуты и 48 секунд. На сегодняшний день это и есть рекорд непрерывного полета для мультироторного беспилотника. Судя по видео, размещенному на сайте EnergyOr, рекорд был установлен в ангаре, при этом коптер не летал — он оторвался от поверхности на полтора метра и завис в воздухе. То есть рекорд был установлен в максимально экономичном режиме и внутри помещения.
Испытания октакоптера НЕЛК, напротив, проводились под открытым небом, причем более трех часов полета было продемонстрировано в сложных погодных условиях.
— Коптер летал в условиях порывистого ветра и временами под дождем, — рассказал руководитель лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН Юрий Добровольский, принимавший участие в испытаниях. — При этом менялись режимы полета — автопилот и управляемый, коптер менял высоту и передавал на землю изображения и видео. А в тепличных условиях он должен был летать, по нашим расчетам, порядка 4 часов 20 минут.
— Одно из приоритетных для сегодняшнего авиастроения направлений — создание «более электрического самолета» — требует удвоения мощности аккумуляторов и электрогенераторов воздушного судна, — рассказал директор Научно-технического центра ОАК Владимир Каргопольцев. — Разработка ИПХФ — это важный шаг не только для беспилотной авиации, но и других отраслей промышленности — робототехники, автомобилестроения, связи и коммуникаций.
Генеральный конструктор ОАК Сергей Коротков отметил, что технологии химиков РАН могут быть задействованы в новых гражданских самолетах — среднемагистральном лайнере МС-21 и широкофюзеляжном самолете, разрабатываемых в кооперации с иностранными партнерами.
Высокой продолжительности полетов октакоптера удалось достичь благодаря особой конструкции мембранно-электродных блоков, которые генерируют электрический ток за счет электрохимической реакции водорода и кислорода и при этом работают при экстремальных температурах от –60 до +40 °С. На основе этих блоков формируются водородно-воздушные топливные элементы. Основную часть работы по их созданию проделали в лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН. В проекте также участвовали ООО «Эй Ти Энерджи», ООО «АФМ-серверс» и ЗАО «Аэрокон».
— Надо поздравить с мировым рекордом команду разработчиков, причем результат показан в водородной энергетике — одной из самых перспективных областей развития современных технологий, — отметил главный аналитик некоммерческого партнерства ГЛОНАСС Андрей Ионин. — И если мы начали ставить в таких областях мировые рекорды, как в 60-х годах прошлого века, то это само по себе хорошо. Малые беспилотники — это абсолютно новый вид авиационного транспорта, для них есть огромная сфера применений, эти коптеры просты и дешевы в эксплуатации. И время нахождения в воздухе — это, пожалуй, главный технологический барьер для развития такой техники. Водородная энергетика — это выход из ситуации.
Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.
