Источник питания на водороде. Топливные элементы. Принцип работы топливных элементов

Топливный элемент (Fuel Cell) — преобразователь химической потенциальной энергии (энергии молекулярных связей) в энергию электричества. Устройство содержит рабочую ячейку, где топливом выступает газообразный водород (H 2) и кислород (O 2). Продуктами реакции, происходящей внутри ячейки, являются вода, электричество и тепло. Технологически топливные элементы следует рассматривать более совершенными системами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями сжигания угля и даже атомными электростанциями, работа которых сопровождается выбросом вредных побочных продуктов.

Поскольку кислород в большом количестве присутствует в атмосфере, остаётся только добавить к топливному элементу водород. Это вещество достаточно легко получить процессом электролиза в одноимённом аппарате, именуемом — электролизёр.

Что такое электролизёр и как работает?

Электрохимическое устройство, где для разделения молекул на составляющие атомы используется электрический ток. Электролизёры широко используются под разделение воды на водород и кислород.

Методика электролиза является наиболее перспективным способом производства водорода очень высокой чистоты (99,999%) благодаря высокой эффективности и быстрому динамическому отклику по сравнению с некоторыми другими методами.

Водород, полученный электролизом, качественно чист и потому удачно подходит для применения в топливном элементе.

Какие разработаны конструкции электролизёров?

Подобно топливным элементам, электролизёры построены на основе двух электродов и размещённого между электродами ионопроводящего электролита. Такие аппараты различаются по типу используемого электролита.

Структурная схема электролизёра и внешний вид одного из промышленных вариантов: 1 – слой катализатора; 2 – диффузионный слой газа; 3 – биполярная пластина; 4 – протонообменная мембрана; 5 — уплотнение

Разработаны несколько различных типов электролизёров, уже используемых на практике либо находящихся на стадии внедрения. Двумя наиболее распространёнными типами электролизёров, производящих водород, являются:

1. Щелочной электролизёр.
2. Мембранный электролизёр.

Щелочной электролизёр

Этот вид устройства работает на жидком каустическом электролите (обычно 30% KOH). Щелочные электролизёры строятся на недорогих металлах (), выступающих в качестве катализатора и обладают достаточно надежной структурой.

Щелочные электролизеры производят водород чистотой 99,8%, функционируют при относительно низкой температуре и показывают высокий уровень производительности. Рабочее давление в установках может достигать 30 АТИ. При работе поддерживается низкая плотность тока.

Протонообменный мембранный (ПОМ) электролизер

Катализатор содержит пористую структуру, поэтому площадь поверхности платины максимально подвергается воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора, покрытая платиной, обращена к ПОМ.

Как работает ячейка топливного элемента?

Своеобразным «сердцем» ячейки топливного элемента является протонообменая мембрана (ПОМ). Этот компонент позволяет протонам проходить практически беспрепятственно, но электроны блокирует.

Таким образом, когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.

Соответственно, по пути электроны выполняют полезную работу:

• зажигают электрическую лампу,
• вращают вал электродвигателя,
• заряжают аккумуляторную батарею и т.д.

Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.

Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.

Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:

• управление топливом, водой и воздухом,
• холодильное оборудование,
• программное обеспечение для управления хладагентом.

Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.

По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.

Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.

Очевидные преимущества технологии

Преобразуя химическую потенциальную энергию непосредственно в электрическую энергию, топливные элементы исключают образование «тепловых узких мест» (2-й закон термодинамики).

Следовательно, по своей природе эта технология видится более эффективной по сравнению с привычными двигателями внутреннего сгорания.

Так, схема ДВС изначально преобразует химическую потенциальную энергию в тепло, и только затем получается механическая работа.

Прямые выбросы топливных элементов — это простая вода и некоторое количество тепла. Здесь отмечается существенное улучшение по сравнению с теми же двигателями внутреннего сгорания, выделяющими, кроме всего прочего, ещё и парниковые газы.

Топливные элементы характерны отсутствием движущихся частей. Подобные конструкции всегда отличались повышенной надёжностью по отношению к традиционным двигателям.

Водород производится экологически безопасным способом, в то время как добыча и переработка нефтепродуктов являются очень опасными с точки зрения технологического производства.

Топливный элемент – это электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Рис. 1. Некоторые топливные элементы

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

Рис. 2.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.

Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.

Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.

Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие - для портативных устройств или для привода автомобилей.

1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду.

Рис. 3.

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, теплоту:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых, чем те, что используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они работают на чистом водороде и кислороде.

2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Рис. 4.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Эти ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – теплота.

Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. Преимущество - возможность применять стандартные материалы (листовую нержавеющую сталь и никелевый катализатор на электродах). Побочную теплоту можно использовать для получения пара высокого давления. Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует большого времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 60-х годов ХХ, испытания проводились с 70-х годов ХХ века. В итоге были увеличены стабильность и рабочие показатели и снижена стоимость.

Рис. 5.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, поэтому эти топливные элементы используются при температурах до 150-220 °C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e

Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочную теплоту можно быть использовать для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки мощностью 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Разработаны и показаны установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

Рис. 6.

Электролитом в этих топливных элементах является твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции: Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eРеакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHОбщая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые, делающие эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другое преимущество в том, что электролитом является твердое, а не жидкое вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с помощью твердого электролита, поэтому такие топливные элементы более дешевы при производстве. При применении твердого электролита нет таких трудностей, как ориентация, и меньше проблем из-за появления коррозии, что повышает долговечность элемента и его компонентов.

Рис. 7.

5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 50-х годов ХХ века и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочная теплота.

Рис. 8.

Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-

Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД производства электрической энергии - самый высокий из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C-1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Топливные элементы с прямым окислением метанола успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено будущее применение таких элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Из-за низких рабочих температур и отсутствия необходимости использовать преобразователь такие топливные элементы являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Их достоинство также - небольшие габариты.

7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему изза медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Рис. 9.

9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов

Рис. 10.

10. Использование топливных элементов в автомобилях

Рис. 11.

Рис. 12.

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.

Топливные элементы 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.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO 3 2-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.

Реакция на аноде: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катоде: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Общая реакция элемента: H 2 (g) + 1 / 2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O(g) + CO 2 (анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, "отравлению", и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H 3 PO 4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H + , протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катоде: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО 2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы "Джемини". Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О 2 -). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О 2 -). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.

Реакция на аноде: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH 3 OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО 2 , ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катоде: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Общая реакция элемента: CH 3 OH + 3 / 2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

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 эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов - такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.

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 топливного элемента. 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.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H 2 O + (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (C s HSO 4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO 4 2- позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.

Описание:

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов .

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода - анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает 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 электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

– надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

– высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

– длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

Применение:

– системы энергоснабжения для БПЛА,

– портативные зарядные устройства,

– источники бесперебойного питания,

– другие устройства.

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 контракт​ов 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