Как работают водородные топливные элементы. Отдельная ячейка топливного элемента

На них работают космические корабли Национального управления по аэронавтике и космическому пространству США (НАСА). Они обеспечивают электроэнергией компьютеры Первого национального банка в Омахе. Они используются на некоторых общественных городских автобусах в Чикаго.

Это все - топливные элементы. Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесс горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.

Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства.

История развития

Первые топливные элементы были продемонстрированы сэром Вильямом Гровзом в 1839 г. Гровз показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.

После того, как это было продемонстрировано, многие ученые бросились с усердием изучать топливные элементы, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине девятнадцатого века оставило развитие топливных элементов далеко позади. Еще больше сдерживала развитие топливных элементов их высокая стоимость.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда НАСА обратилась к ним в связи с возникшей потребностью в компактном электрогенераторе для космических полетов. Были вложены соответствующие средства, и в результате полеты Apollo и Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические корабли также работают на топливных элементах.

Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают их на коммерческом рынке. Только за последние почти десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.

Как работает топливный элемент

Топливные элементы похожи на аккумуляторные батареи - они вырабатывают электричество в результате химической реакции. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и таким образом вырабатывают тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию. Если только тепло от выхлопных газов не используется каким-либо образом (например, для обогрева или кондиционирования воздуха), то можно сказать, что КПД двигателя внутреннего сгорания довольно низкий. Например, ожидается, что КПД топливных элементов при использовании в транспортном средстве - проект, который сейчас находится в стадии разработки, - будет выше КПД современных типичных двигателей на бензине, используемых в автомобилях, более чем в два раза.

Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электричество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Батареи - устройства с накопленной энергией: электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.

Существует несколько различных типов топливных элементов. Наипростейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролит. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция - электролит, окруженный двумя электродами, - представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции.

На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, которые способствуют протеканию реакции диссоциации:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = двуатомная молекула водорода, форма, в

которой водород присутствует в виде газа;

H+ = ионизированный водород, т.е. протон;

е- = электрон.

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка. Это устройство обычно называется "нагрузкой".

С катодной стороны топливного элемента протоны (которые прошли через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) "воссоединяются" и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива, такого как природный газ, бензин или метанол. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. Этот процесс называется "реформингом". Водород можно также получить из аммиака, альтернативных ресурсов, таких как газ из городских свалок и от станций очистки сточных вод, а также путем электролиза воды, при котором для разложения воды на водород и кислород используется электричество. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол.

Для реформинга топлива с целью получения водорода для топливных элементов были разработаны разные средства. Министерство энергетики США разработало топливную установку внутри машины для реформинга бензина с тем, чтобы обеспечивать подачу водорода на автономный топливный элемент. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США продемонстрировали компактную топливную установку по реформингу величиной в одну десятую размеров блока питания. Американская энергокомпания, Northwest Power Systems, и Национальная лаборатория Сандия продемонстрировали топливную реформинговую установку, которая преобразует дизельное топливо в водород для топливных элементов.

По отдельности топливные элементы производят около 0,7-1,0 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы собираются в "каскад", т.е. последовательное соединение. Чтобы создать больший ток, наборы каскадных элементов соединяются параллельно. Если объединить каскады топливных элементов с топливной установкой, системой подачи воздуха и охлаждения, а также с системой управления, то получится двигатель на топливных элементах. Этот двигатель может приводить в действие транспортное средство, стационарную электростанцию или переносной электрический генератор6. Двигатели на топливных элементах бывают разных размеров в зависимости от назначения, типа топливного элемента и используемого топлива. Например, размер каждой из четырех отдельных стационарных электростанций мощностью 200 кВт, установленных в банке в Омахе, приблизительно равен размеру прицепа грузовика.

Применения

Топливные элементы могут использоваться как в стационарных, так и в передвижных устройствах. В ответ на ужесточающиеся требования по нормам выбросов в США производители автомобилей, включая DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan стали проводить эксперименты и демонстрировать машины, работающие на топливных элементах. Ожидается, что первые коммерческие автомобили на топливных элементах появятся на дорогах в 2004 или 2005 г.

Серьезной вехой в истории развитии технологии топливных элементов стала демонстрация в июне 1993 г. экспериментального 32-футового городского автобуса компании Ballard Power System с двигателем на водородных топливных элементах мощностью 90 киловатт. С тех пор было разработано и запущено в эксплуатацию много разных типов и разных поколений пассажирских транспортных средств на топливных элементах, работающих на разных видах топлива. С конца 1996 г. в Палм Дезерт в Калифорнии стали использоваться три мототележки для гольфа на водородных топливных элементах. На дорогах Чикаго, Иллинойс; Ванкувера, Британская Колумбия; и Осло, Норвегия проводятся испытания городских автобусов, работающих на топливных элементах. На улицах Лондона проходят проверку такси, работающие на щелочных топливных элементах.

Демонстрируются также и стационарные установки, использующие технологию топливных элементов, но они пока не имеют широкого коммерческого применения. Первый национальный банк Омаха в Небраске использует систему на топливных элементах для питания компьютеров, поскольку эта система более надежна, чем старая система, работавшая от основной сети с аварийным аккумуляторным питанием. Самая большая в мире коммерческая система на топливных элементах мощностью 1,2 мВт будет скоро установлена в центре по обработке почтовой корреспонденции на Аляске. Проходят испытания и демонстрируются также работающие на топливных элементах портативные компьютеры-лаптопы, системы управления, используемые на станциях очистки сточных вод и торговые автоматы.

"За" и "против"

Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по сравнению с двигателями на бензине.

Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии.

При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар. Так на космических кораблях астронавты пьют воду, которая образуется в результате работы бортовых топливных элементов. Состав выбросов зависит от природы источника водорода. При использовании метанола образуются нулевые выбросы оксидов азота и оксида углерода и только небольшие выбросы углеводорода. Выбросы увеличиваются по мере перехода от водорода к метанолу и бензину, хотя даже при использовании бензина уровень выбросов будет оставаться достаточно низким. В любом случае замена сегодняшних традиционных двигателей внутреннего сгорания на топливные элементы привела бы к общему снижению выбросов СО2 и оксидов азота.

Использование топливных элементов обеспечивает гибкость энергетической инфраструктуры, создавая дополнительные возможности для децентрализованного производства электроэнергии. Множественность децентрализованных источников энергии позволяет снизить потери при передаче электроэнергии и развить рынки сбыта энергии (что особенно важно для отдаленных и сельских районов, при отсутствии доступа к линиям электропередач). С помощью топливных элементов отдельные жители или кварталы могут сами обеспечить себя большей частью электроэнергии и таким образом значительно повысить эффективность ее использования.

Топливные элементы предлагают энергию высокого качества и повышенной надежности. Они долговечны, у них нет подвижных частей, и они производят постоянный объем энергии.

Однако технология топливных элементов нуждается в дальнейшем совершенствовании с тем, чтобы повысить их производительность, снизить затраты и, таким образом, сделать топливные элементы конкурентноспособными относительно других энергетических технологий. Следует отметить, что когда рассматриваются затратные характеристики энергетических технологий, сравнения должны проводиться на основе всех составляющих технологических характеристик, включая капитальные эксплуатационные расходы, выбросы загрязняющих веществ, качество энергии, долговечность, вывод из эксплуатации и гибкость.

Хотя водородный газ является наилучшим топливом, инфраструктуры или транспортной базы для него еще не существует. В ближайшей перспективе для обеспечения энергоустановок источниками водорода в виде бензина, метанола или природного газа могли бы использоваться существующие системы снабжения ископаемым топливом (газовые станции и т.д.). Это исключило бы необходимость создания специальных водородозаправочных станций, но потребовало бы, чтобы на каждом транспортном средстве был установлен преобразователь ("реформатор") ископаемого топлива в водород. Недостаток этого подхода состоит в том, что он использует ископаемое топливо и, таким образом, приводит к выбросам двуокиси углерода. Метанол, являющийся в настоящее время ведущим кандидатом, создает меньше выбросов, чем бензин, но он бы потребовал установки на автомобиле емкости большего объема, поскольку он занимает в два раза больше места при одинаковом энерго-содержании.

В отличие от систем снабжения ископаемым топливом, солнечные и ветровые системы (использующие электричество для создания водорода и кислорода из воды) и системы прямого фотопреобразования энергии (использующие полупроводниковые материалы или ферменты для производства водорода) могли бы обеспечивать снабжение водородом без этапа реформинга, и, таким образом, можно было бы избежать выбросов вредных веществ, что наблюдается при использовании метаноловых или бензиновых топливных элементов. Водород мог бы накапливаться и преобразовываться в электричество в топливном элементе по мере необходимости. В перспективе соединение топливных элементов с такого рода возобновляемыми источниками энергии, скорее всего, будет эффективной стратегией обеспечения продуктивным, экологически продуманным и универсальным источником энергии.

Рекомендации IEER заключаются в том, чтобы местные и федеральные власти, а также власти штатов часть своих закупочных бюджетов по транспортному хозяйству направляли на транспортные средства на топливных элементах, а также на стационарные системы на топливных элементах для обеспечения теплом и электричеством некоторых из своих существенных или новых зданий. Это будет способствовать развитию жизненно важной технологии и снижению выбросов парниковых газов.

В последнее время тема топливных элементов у всех на устах. И это не удивительно, с приходом этой технологии в мир электроники она обрела новое рождение. Мировые лидеры в области микроэлектроники наперегонки представляют прототипы своих будущих продуктов, в которых будут интегрированы собственные мини электростанции. Это должно с одной стороны ослабить привязку мобильных устройств к "розетке", а с другой стороны продлить срок их автономной работы.

Кроме того часть из них работает на основе этанола, так что развитие данных технологий есть прямая польза производителям спиртных напитков – через какой десяток лет в виноводочный будут выстраиваться очереди из "айтишников", стоящих за очередной "дозой" для своего ноутбука.

Мы не можем остаться в стороне от "лихорадки" топливных элементов, охватившей Hi-Tech индустрию, и попробуем разобраться что за зверь эта технология, с чем ее едяти когда стоит ожидать ее прихода в "общепит". В этом материале мы рассмотрим путь, пройденный топливными элементами с момента открытия этой технологии до сегодняшнего дня. А также попытаемся дать оценку перспективности их внедрения и развития в будущем.

Как это было

Впервые принцип устройства топливного элемента описал еще в 1838 году Кристиан Шёнбайн (Christian Friedrich Schonbein), а уже спустя год "Философский журнал" опубликовал его статью, посвященную этой теме. Однако это были лишь теоретические изыскания. Первый же действующий топливный элемент увидел свет в 1843 году в лаборатории ученого валийского происхождения сэра Уильяма Грова (William Robert Grove). При его создании изобретатель использовал материалы сходные с теми, что применяются в современных батареях на фосфорной кислоте. Впоследствии топливный элемент сэра Грова был усовершенствован Томасом Груббом (W. Thomas Grub). В 1955 году этот химик, работавший на легендарную компанию General Electric, использовал в качестве электролита в топливном элементе ионообменную мембрану из сульфированного полистирола. Спустя лишь три года его коллега по работе Леонард Нидрах (Leonard Niedrach) предложил технологию укладки на мембрану платины, выступавшей в роли катализатора в процессе окисления водорода и поглощения кислорода.

"Отец" топливных элементов Кристиан Шёнбайн

Эти принципы легли в основу нового поколения топливных элементов, называемых в честь их создателей элементы "Грубб-Нидрах". Компания General Electric продолжила разработки в этом направлении, в рамках которых при содействии NASA и авиационного гиганта McDonnell Aircraft был создан первый коммерческий топливный элемент. На новую технологию обратили внимание за океаном. И уже в 1959 году британец Фрэнсис Бейкон (Francis Thomas Bacon) представил стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. Его патентованные разработки были в последствии лицензированы американцами и использовались в космических кораблях NASA в системах питания и снабжения питьевой водой. В том же году американец Гарри Ириг (Harry Ihrig) построил первый трактор на топливных элементах (общая мощность 15 кВт). В качестве электролита в батареях использовался гидроксид калия, а в роли реагентов применялись сжатый водород и кислород.

Впервые "на поток" выпуск стационарных топливных элементов для коммерческих целей поставила компания UTC Power, предлагавшая системы резервного электроснабжения для больниц, университетов и бизнес-центров. Эта компания, являющаяся мировым лидеров в этой области, до сих пор выпускает подобные решения мощностью до 200 кВт. Она же является главным поставщиком топливных элементов для NASA. Ее продукция широко использовалась в ходе космической программы Apollo и до сих пор востребована в рамках программы Space Shuttle. UTC Power также предлагает и топливные элементы "широкого потребления", находящие широкое применение в транспортных средствах. Ею впервые был создан топливный элемент, позволяющий получать ток при отрицательных температурах благодаря использованию протонообменной мембраны.

Как это работает

Исследователи экспериментировали с различными веществами в качестве реагентов. Однако основные принципы работы топливных элементов, несмотря на существенно отличающиеся эксплуатационные характеристики, остаются неизменными. Любой топливный элемент представляет собой устройство электрохимического преобразования энергии. Оно вырабатывает электричество из некого количества топлива (со стороны анода) и окислителя (со стороны катода). Реакция протекает в присутствии электролита (вещество содержащее свободные ионы и ведущее себя как электропроводящая среда). В принципе в любом таком устройстве есть некие реагенты поступающие в него и продукты их реакции, выводимые после осуществления электрохимической реакции. Электролит в данном случае служит лишь средой для взаимодействия реагентов и не меняется в топливном элементе. Исходя из такой схемы идеальный топливный элемент должен работать так долго, пока есть подача необходимых для реакции веществ.

Здесь нельзя путать топливные элементы с обычными батарейками. В первом случае для производства электричества потребляется некое "топливо", которое в последствии нужно заправлять вновь. В случае же с гальваническими элементами электричество хранится в замкнутой химической системе. В случае с аккумуляторами подача тока позволяет осуществить обратную электрохимическую реакцию и вернуть реагенты в исходное состояние (т.е. зарядить его). Возможны различные комбинации топлива и окислителя. Например, в водородном топливном элементе в качестве реагентов используется водород и кислород (окислитель). Нередко в качестве топлива используются гидрокарбонаты и спирты, а в роли оксидантов выступают воздух, хлор и двуокись хлора.

Реакция катализа, проходящая в топливном элементе, выбивает электроны и протоны из топлива, а движущиеся электроны образуют электрический ток. В роли катализатора, ускоряющего реакцию, в топливных элементах как правило используются платина или ее сплавы. Другой каталитический процесс возвращает электроны, объединяя их с протонами и окислителем, в результате чего образуются продукты реакции (выбросы). Как правило эти выбросы представляют собой простые вещества: воду и углекислый газ.

В традиционном топливном элементе с протонообменной мембраной (PEMFC) полимерная протонопроводящая мембрана разделяет стороны анода и катода. Со стороны катода водород диффундирует на анодный катализатор, где из него в последствии выделяются электроны и протоны. Протоны затем проходят через мембрану к катоду, а электроны, неспособные следовать за протонами (мембрана электрически изолирована), направляются по цепи внешней нагрузки (система энергоснабжения). На стороне катодного катализатора кислород вступает в реакцию с протонами, прошедшими через мембрану, и электронами, поступающими по цепи внешней нагрузки. В результате этой реакции получается вода (в виде пара или жидкости). Например, продуктами реакций в топливных элементах, использующих углеводородное топливо (метанол, дизельное топливо), являются вода и двуокись углерода.

Топливные элементы практически всех типов страдают от электрических потерь, вызванных как естественным сопротивлением контактов и элементов топливного элемента, так и электрическим перенапряжением (дополнительная энергия, необходимая для осуществления исходной реакции). В ряде случаев полностью избежать этих потерь не возможно и иногда "овчинка не стоит выделки", однако чаще всего их можно свести к допустимому минимуму. Вариантом решения этой проблемы является использование комплектов из этих устройств, в которых топливные элементы, в зависимости от предъявляемых к системе электроснабжения требований, могут подключаться параллельно (больший ток) или последовательно (большее напряжение).

Виды топливных элементов

Видов топливных элементов великое множество, однако мы постараемся вкратце остановиться на наиболее распространенных из них.

Щелочные топливные элементы (AFC)

Алкалайновые или щелочные топливные элементы, называемые также как элементы Бэкона в честь их британского "отца", являются одной из наиболее хорошо разработанной технологией топливных элементов. Именно эти устройства помогли человеку ступить на Луну. Вообще NASA использует топливные элементы этого типа уже с середины 60-ых годов прошлого века. AFC потребляют водород и чистый кислород, производя питьевую воду, тепло и электричество. Во многом благодаря тому, что эта технология прекрасно отработана, у нее один из наивысших показателей эффективности среди подобных систем (потенциал около 70%).

Однако у этой технологии есть и свои недостатки. Из-за специфики использования в качестве электролита жидкого щелочного вещества, которое не блокирует углекислый газ, возможно вступление в реакцию гидроксида калия (один из вариантов используемого электролита) с этим составляющим обычного воздуха. В результате может получиться ядовитое соединение карбонад калия. Во избежание этого необходимо использовать либо чистый кислород, либо производить очистку воздуха от углекислого газа. Естественно, это сказывается на стоимости подобных устройств. Однако не смотря даже на это, AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами, доступными сегодня.

Прямой борогидридный топливные элементы (DBFC)

Этот подтип щелочных топливных элементов использует в качестве топлива борогидрид натрия. Однако в отличие от обычных AFC на водороде, у этой технологии есть одно существенное преимущество - отсутствие риска получения ядовитых соединений после контакта с углекислым газом. Однако продуктом его реакции является вещество бура, широко используемое в моющих средствах и мыле. Бура относительно не токсична.

DBFC можно сделать даже дешевле традиционных топливных элементов, поскольку они не требуют дорогих платиновых катализаторов. К тому же они обладают большей энергетической плотностью. Подсчитано, что производства килограмма борогидрида натрия обходится в $50, но если организовать его массовое производство и наладить переработку буры, то эту планку можно снизить в 50 раз.

Топливные элементы на металлических гидридах (MHFC)

Этот подкласс щелочных топливных элементов в настоящее время активно изучается. Особенностью этих устройств является способность химически хранить водород внутри топливного элемента. Такой же способностью обладает и прямой борогидридный топливный элемент, но в отличие от него MHFC заполняется чистым водородом.

Среди отличительных характеристик этих топливных элементов можно выделить следующие:

• способность перезаряжаться от электрической энергии;
• работа при низких температурах - до -20°C;
• длительный срок хранения;
• быстрый "холодный" старт;
• способность некоторое время работать без внешнего источника водорода (на время замены топлива).

Не смотря на то, что многие компании работают над созданием массовых MHFC, пока эффективность прототипов недостаточно высока в сравнении с конкурирующими технологиями. Один из наилучших показателей плотности тока для этих топливных элементов составляет 250 миллиампер на квадратный сантиметр, при этом обычные топливные элементы стандарта PEMFC обеспечивают плотность тока в 1 ампер на квадратный сантиметр.

Электро-гальванические топливные элементы (EGFC)

Химическая реакция в EGFC проходит при участии гидроксида калия и кислорода. Это создает электрический ток между свинцовым анодом и позолоченным катодом. Напряжение, выдаваемое электро-гальваническим топливным элементом, прямо пропорционально количеству кислорода. Эта особенность позволила EGFC найти широкое применение в качестве устройств проверки концентрации кислорода в аквалангах и медицинском оборудовании. Но именно благодаря этой зависимости у топливных элементов на гидроксиде калия весьма ограниченный срок эффективной работы (пока концентрация кислорода велика).

Первые сертифицированные устройства проверки концентрации кислорода на EGFC стали массово доступны в 2005 году, но тогда не снискали большой популярности. Выпущенная спустя два года существенно модифицированная модель была гораздо успешнее и даже получила приз за "инновацию" на специализированной выставке дайверов в Флориде. В настоящее время их используют такие организации как NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и DDRC (Diving Diseases Research Centre).

Прямые топливные элементы на муравьиной кислоте (DFAFC)

Эти топливные элементы являются подтипом PEMFC-устройств с прямой подачей муравьиной кислоты. Благодаря своим специфическим особенностям эти топливные элементы имеют большие шансы в будущем стать главным средством питания такой портативной электроники, как ноутбуки, сотовые телефоны и т.д.

Как и метанол, муравьиную кислоту напрямую подают в топливный элемент без специальной стадии очистки. Хранить это вещество также намного безопаснее, чем, например, водород, к тому же не требуется обеспечивать какие-либо специфические условия хранения: муравьиная кислота является жидкостью при нормальной температуре. Более того, у этой технологии есть и два неоспоримых преимущества перед прямыми метаноловыми топливными элементами. Во-первых, в отличие от метанола, муравьиная кислота не просачивается через мембрану. Поэтому эффективность DFAFC по определению должна быть выше. Во-вторых, в случае разгерметизации, муравьиная кислота не столь опасна (метанол может вызывать слепоту, а при сильной дозировке и смерть).

Что интересно, до недавнего времени многие ученые не рассматривали эту технологию как имеющую практическое будущее. Причиной, побудившей исследователей на многие годы "поставить крест" на муравьиной кислоте, было высокое электрохимическое перенапряжение, приводившее к существенным электрическим потерям. Но результаты недавних экспериментов показали, что причина такой неэффективности была в использовании платины в качестве катализатора, которая традиционно широко применялась для этих целей в топливных элементах. После того, как ученые из Иллинойсского Университета провели ряд опытов с другими материалами, оказалось, что в случае применения палладия в качестве катализатора продуктивность DFAFC выше, чем у эквивалентных прямых метанольных топливных элементов. В настоящее время правами на эту технологию обладает американская компания Tekion, предлагающая линейку своих продуктов Formira Power Pack для устройств микроэлектроники. Эта система представляет собой "дуплекс", состоящий из аккумуляторной батареи и собственно топливного элемента. После того, как запас реагентов в картридже, заряжающем батарейку, иссякает, пользователь просто меняет его на новый. Таким образом он становится полностью независим от "розетки". Согласно обещаниям производителя, время между зарядами увеличится вдвое при том, что технология обойдется лишь на 10-15% дороже обычных батареек. Единственным серьезным препятствием на пути этой технологии может стать то, что ее поддерживает компания средней руки и ее попросту могут "завалить" конкуренты большего масштаба, представляющие свои технологии, которые могут даже уступать DFAFC по ряду параметров.

Прямые метанольные топливные элементы (DMFC)

Эти топливные элементы являются подвидом устройств с протонообменной мембраной. В них используется метанол, заправляемый в топливный элемент без дополнительной очистки. При этом метиловый спирт гораздо проще хранить и он не взрывоопасен (хотя он горюч и может вызывать слепоту). При этом у метанола энергетическая емкость существенно выше, чем у сжатого водорода.

Однако из-за того, что метанол способен просачиваться через мембрану, эффективность DMFC при больших объемах топлива невелика. И хотя по этой причине они не годятся для транспорта и крупных установок, эти устройства прекрасно подходят на роль заменителей аккумуляторных батарей на мобильных устройствах.

Топливные элементы на обработанном метаноле (RMFC)

Топливные элементы на обработанном метаноле отличаются от DMFC лишь тем, что в них метанол на стадии предшествующей выработке электричества преобразуется в водород и углекислый газ. Это происходит в специальном устройстве именуемом топливный процессор. После этой предварительной стадии (реакция осуществляется при температуре выше 250°C), водород ступает в реакцию окисления, в результате которой образуется вода и вырабатывается электричество.

Использование метанола в RMFC обусловлено тем, что он является природным носителем водорода, и при достаточно низкой температуре (по сравнению с другими веществами) может быть разложен на водород и углекислый газ. Поэтому эта технология и более совершена, чем DMFC. Топливные элементы на обработанном метаноле позволяют добиться большей эффективности, их компактности и работы при температурах ниже нуля.

Прямые этанольные топливные элементы (DEFC)

Еще один представитель класса топливных элементов с протонообменной решеткой. Как следует из названия, этанол поступает в топливный элемент минуя стадии дополнительной очистки или разложения на более простые вещества. Первый плюс этих устройств - это использование этилового спирта вместо токсичного метанола. Это означает, что не нужно вкладывать огромные деньги в налаживание этого топлива.

Энергетическая плотность спирта приблизительно на 30% выше, чем у метанола. К тому же его можно получать в больших количествах из биомассы. В целях снижения стоимости топливных элементов на этаноле, активно ведется поиск альтернативного материала катализатора. Платина, традиционно используемая в топливных элементах для этих целей, слишком дорога и является существенным препятствием на пути массового внедрения этих технологий. Решением этой проблемы могут стать катализаторы из смеси железа, меди и никеля, демонстрирующие в экспериментальных системах впечатляющие результаты.

Цинково-воздушные топливные элементы (ZAFC)

ZAFC для производства электрической энергии используют окисление цинка кислородом из воздуха. Эти топливные элементы недороги в производстве и обеспечивают достаточно высокую плотность энергии. В настоящее время их используют в слуховых аппаратах и экспериментальных электрических автомобилях.

Со стороны анода находится смесь частичек цинка с электролитом, а со стороны катода вода и кислород из воздуха, которые реагируют друг с другом и образуют гидроксил (его молекула представляет собой атом кислорода и атом водорода, между которыми существует ковалентная связь). В результате реакции гидроксила с цинковой смесью высвобождаются электроны, идущие к катоду. Максимальное напряжение, которое выдается такими топливными элементами, - это 1.65 В, но, как правило, его искусственно снижают до 1.4–1.35 В, ограничивая доступ воздуха в систему. Конечными продуктами этой электрохимической реакции являются оксид цинка и вода.

Возможно использование этой технологии, как в батарейках (без перезарядки), так и в топливных элементах. В последнем случае, камера со стороны анода очищается и заполняется вновь цинковой пастой. В целом, технология ZAFC зарекомендовали себя как простые и надежные элементы питания. Их неоспоримым плюсом является возможность управлять реакцией лишь регулируя подачу воздуха в топливный элемент. Многие исследователи рассматривают цинково-воздушные топливные элементы в качестве будущего главного источника питания электрических транспортных средств.

Микробные топливные элементы (MFC)

Идея использовать бактерии на благо человечества не нова, хотя до претворения этих задумок в жизнь дошло недавно. В настоящее время активно изучается вопрос коммерческого использования биотехнологий для производства различных продуктов (например, выработка водорода из биомассы), нейтрализации вредных веществ и производства электроэнергии. Микробные топливные элементы, еще именуемые биологическими, представляют собой биологическую электрохимическую систему, вырабатывающую электрический ток благодаря использованию бактерий. Эта технология основана на катаболизме (разложение сложной молекулы на более простую с выделением энергии) таких веществ как глюкоза, ацетат (соль уксусной кислоты), бутират (соль масляной кислоты) или сточные воды. Благодаря их окислению, высвобождаются электроны, которые передаются на анод, после чего по проводнику выработанный электрический ток поступает к катоду.

В таких топливных элементах как правило используются медиаторы, улучшающие проходимость электронов. Проблема в том, что вещества, играющие роли медиаторов, дороги и токсичны. Однако, в случае использования электрохимически активных бактерий, нужда в медиаторах отпадает. Такие "без медиаторные" микробные топливные элементы начали создавать совсем недавно и потому, пока далеко не все их свойства хорошо изучены.

Несмотря на препятствия, которые MFC еще только предстоит преодолеть, у этой технологии огромный потенциал. Во-первых, "топливо" найти не представляет особого труда. И более того, сегодня вопрос очистки сточных вод и утилизации многих отходов стоит очень остро. Применение этой технологии могло бы решить обе эти проблемы. Во-вторых, теоретически ее эффективность может быть очень высокой. Главной проблемой для инженеров микробных топливных элементов являются, и собственно важнейший элемент этого устройства, микробы. И пока микробиологи, получающие многочисленные гранды на исследования, ликуют, писатели-фантасты тоже потирают руки, предвкушая успех книг, посвященных последствиям "выхода в свет" неправильных микроорганизмов. Естественно, что риск вывести что-то такое, что "переваривало" бы не только не нужные отходы, но и что-то ценное, есть. Поэтому в принципе, как и в случае с любыми новыми биотехнологиями, люди относятся к идее носить в кармане коробочку, кишащую бактериями, с опаской.

Применение

Стационарные бытовые и промышленные электростанции

Топливные элементы находят широкое применение в качестве источников энергии во всевозможных автономных системах, как, например, космические корабли, удаленные метеостанции, военные объекты и т.д. Главное преимущество такой системы электроснабжения, чрезвычайно высокая по сравнению с другими технологиями надежность. Ввиду отсутствия в топливных элементах подвижных частей и каких-либо механизмов надежность систем энергоснабжения может достигать 99.99%. К тому же, в случае использования водорода в качестве реагента можно добиться очень малого веса, что в случае с космическим оборудованием, является одним из важнейших критериев.

В последнее время все большее распространение получают комбинированные тепло-электро установки, широко используемые в жилых домах и офисах. Особенность этих систем заключается в том, что они постоянно вырабатывают электричество, которое если не потребляется сразу, то используется для нагрева воды и воздуха. Не смотря на то, что электрическое КПД таких установок лишь 15-20%, этот недостаток компенсируется тем, что неиспользованное электричество идет на производство тепла. В целом же энергетический КПД подобных комбинированных систем составляет около 80%. Одним из лучших реагентов для подобных топливных элементов служит фосфорная кислота. Эти установки обеспечивают энергетическое КПД на уровне 90% (35-50% электричество и остальное тепловая энергия).

Транспорт

Энергетические системы на базе топливных элементов широко используются и на транспорте. К слову немцы одними из первых начали устанавливать топливные элементы на транспортные средства. Так первая в мире коммерческая лодка, оборудованная такой установкой, дебютировала восемь лет назад. Это небольшое судно окрещенное "Hydra" и рассчитанное на перевозку до 22 пассажиров было спущено на воду вблизи бывшей столицы ФРГ в июне 2000 года. В качестве энергонесущего реагента выступает водород (щелочной топливный элемент). Благодаря использованию алкалайновых (щелочных) топливных элементов, установка способна вырабатывать ток при температурах до –10°C и не "боится" соленой воды. Лодка "Hydra", приводимая в движение электрическим двигателем мощностью 5 кВт, способна развивать скорость до 6 узлов (около 12 км/ч).

Лодка "Hydra"

Гораздо большее распространение получили топливные элементы (в частности на водороде) на наземном транспорте. Вообще водород уже достаточно давно используется в качестве топлива для автомобильных двигателей, и в принципе обычный двигатель внутреннего сгорания достаточно легко переоборудовать на использование этого альтернативного вида топлива. Однако традиционное сжигание водорода менее эффективно, чем выработка электричества путем осуществления химической реакции между водородом и кислородом. И в идеале водород в том случае, если он будет использоваться в топливных элементах, будет абсолютно безопасен для природы или как говорят "дружелюбен к окружающей среде", поскольку в процессе химической реакции не выделяется углекислого газа или иных веществ, умиляющих "парниковый эффект".

Правда здесь, как и следовало ожидать, есть несколько больших "но". Дело в том, что многие технологии получения водорода из не возобновляемых ресурсов (природный газ, уголь, нефтепродукты) не столь безвредны для окружающей среды, поскольку в их процессе выделяется большое количество двуокиси углерода. Теоретически если для его получения использовать возобновляемые ресурсы, то тогда вредных выбросов не будет вовсе. Однако в этом случае существенно возрастает себестоимость. По мнению многих экспертов, по этим причинам потенциал водорода, как заменителя бензина или природного газа весьма ограничен. Уже сейчас есть менее дорогостоящие альтернативы и, скорее всего, топливным элементам на первом элементе периодической таблицы так и не удаться стать массовым явлением на транспортных средствах.

Производители автомобилей достаточно активно экспериментируют с водородом в качестве источника энергии. И главной причиной тому служит достаточно жесткая позиция ЕС в отношении вредных выбросов в атмосферу. Подгоняемые все более строгими ограничениями, вводимыми в Европе, компании Daimler AG, Fiat и Ford Motor Company представили свое видение будущего топливных элементов в автомобиле строении, оборудовав подобными силовыми установками свои базовые модели. Еще один европейский автогигант Volkswagen в настоящее время готовит свой автомобиль на топливных элементах. Не отстают от них японские и южно-корейские фирмы. Впрочем, далеко не все ставят на эту технологию. Многие предпочитают модифицировать двигатели внутреннего сгорания или комбинировать их с электрическими моторами, работающими от аккумуляторов. По этому пути пошли Toyota, Mazda и BMW. Что до американских компаний, то помимо Ford с его моделью Focus, несколько автомобилей на топливных элементах представила и General Motors. Все эти начинания находят активное поощрение со стороны многих государств. Так, например, в США действует закон, согласно которому выходящий на рынок новый гибридный автомобиль освобождается от налогов, что может составлять вполне приличную сумму, ведь как правило подобные автомобили дороже своих собратьев с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Таким образом, гибриды как покупка становятся еще привлекательнее. Правда пока этот закон касается лишь выходящих на рынок моделей до достижения уровня продаж в 60000 автомобилей, после чего льгота автоматически отменяется.

Электроника

Не так давно топливные элементы начали находить все более широкое применение в ноутбуках, мобильных телефонах и прочих мобильных электронных устройствах. Поводом тому послужила стремительно возрастающая прожорливость предназначенных для длительной автономной работы девайсов. В результате использования в телефонах больших сенсорных экранов, мощных аудио средств и внедрения поддержки Wi-Fi, Bluetooth и прочих высокочастотных беспроводных протоколов связи, изменились и требования к емкости батарей. И, хотя аккумуляторы со времен первых сотовых телефонов шагнули далеко вперед, с точки зрения емкости и компактности (иначе сегодня болельщиков не пускали бы на стадионы с этим оружием с функцией связи), все равно они не поспевают ни за миниатюризацией электронных схем, ни за желанием производителей встроить в свои продукты все больше функций. Еще одним существенным недостатком нынешних аккумуляторных батарей является их долгий срок зарядки. Все приводит к тому, что чем больше в телефоне или карманном мультимедийном проигрывателе возможностей, призванных повысить автономность его владельца (беспроводной Интернет, навигационные системы и т.д.), тем более зависимым от "розетки" становиться это устройство.

Про ноутбуки, гораздо меньше ограниченных в максимальных размерах, и говорить нечего. Уже достаточно давно сформировалась ниша сверхпроизводительных лэптопов, вообще не предназначенных для автономной работы, если не считать таковой перенос из одного офиса в другой. И даже самые экономичные представители ноутбучного мира с трудом могут обеспечить полный рабочий день автономной работы. Поэтому вопрос поиска альтернативы традиционным аккумуляторным батареям, которая была бы не дороже, но и гораздо эффективнее, стоит очень остро. И решением этой проблемы в последнее время занимаются ведущие представители отрасли. Не так давно были представлены коммерческие топливные элементы на метаноле, массовые поставки которых могут быть начаты уже в следующем году.

Выбор исследователей пал на метанол, а не на водород, по некоторым причинам. Хранить метанол гораздо проще, поскольку для этого не нужно создавать высокое давление или обеспечивать специальный температурный режим. Метиловый спирт является жидкостью при температуре от -97.0°C до 64.7°C. При этом удельная энергия, содержащаяся в N-ом объеме метанола на порядок больше, чем в том же объеме водорода, находящегося под высоким давлением. Технология прямого метанольного топливного элемента, широко используемая в мобильных электронных устройствах, подразумевает применение метилового спирта после простого заполнения емкости топливного элемента минуя процедуру каталитического преобразования (отсюда и название "прямой метанольный"). Это также является серьезным преимуществом этой технологии.

Впрочем, как и стоило ожидать, и на все эти плюсы нашлись свои минусы, которые существенно ограничили сферу ее применения. Ввиду того, что все же эта технология до сих пор не полностью отработана, не решенным остается проблема невысокой эффективности подобных топливных элементов, вызываемой "просачиванием" метанола через материал мембраны. К тому же у них не впечатляющие динамические характеристики. Непросто разрешить и что делать с углекислым газом, вырабатываемым у анода. Современные DMFC-устройства не способны вырабатывать большую энергию, однако имеют высокую энергетическую емкость для небольшого объема вещества. Это означает, что хотя энергии много пока не получить, прямые метанольные топливные элементы могут ее вырабатывать длительное время. Это не позволяет им из-за невысокой мощности находить прямое применение в транспортных средствах, но делает их почти идеальным решением для мобильных устройств, для которых критичным является срок автономной работы.

Последние тенденции

Хотя топливные элементы для транспортных средств выпускают уже давно, до сих пор эти решения так и не стали массовыми. Причин тому немало. И главные из них - это экономическая нецелесообразность и неготовность производителей поставить выпуск приемлемого по цене топлива на поток. Попытки же форсировать естественный процесс перехода на возобновляемые источники энергии, как и можно было ожидать, не привели ни к чему хорошему. Конечно, причина резкого роста цен на сельскохозяйственную продукцию скрыта скорее не в том, что ее массово начали превращать в биотопливо, а в том, что многие страны Африки и Азии не способны производить достаточное количество продуктов даже для удовлетворения внутреннего спроса продуктов.

Очевидно, что отказ от использования биотоплива не приведет к существенному улучшению ситуации на мировом продовольственном рынке, а наоборот - может нанести удар по европейским и американским фермерам, впервые за многие годы получивших возможность неплохо зарабатывать. Но нельзя списывать со счетов и этический аспект этого вопроса некрасиво заправлять "хлеб" в баки, когда миллионы людей голодают. Потому в частности европейские политики теперь будут более прохладно относится к биотехнологиям, что уже подтверждается пересмотром стратегии по переходу на возобновляемых источников энергии.

В этой ситуации наиболее перспективной сферой применения для топливных элементов должна стать микроэлектроника. Именно здесь у топливных элементов наибольшие шансы закрепиться. Во-первых, люди, приобретающие сотовые телефоны, в большей степени готовы к экспериментам, чем, скажем, покупатели автомобилей. А во-вторых, они готовы тратить деньги и как правило не прочь "спасти мир". Подтверждением тому может служить ошеломительный успех красной "Боно"-версии плеера iPod Nano, часть денег от продаж которого поступала на счета Красного креста.

"Боно"-версия плеера Apple iPod Nano

Среди обративших свой взор на топливные элементы для портативной электроники как фирмы, ранее специализировавшиеся на создании топливных элементов и теперь просто открывших новую сферу их применения, так и ведущие производители микроэлектроники. Например, недавно компания MTI Micro, перепрофилировавшая свой бизнес на производство метанольных топливных элементов для мобильных электронных устройств, объявила о том, что в 2009 году начнет их массовое производство. Она же представила и первое в мире GPS-устройство на метаноловых топливных элементах. По мнению представителей этой фирмы, в скором будущем ее продукция полностью заменит традиционные ионно-литиевые батареи. Правда, первое время они будут недешевы, но эта проблема сопутствует любой новой технологии.

Для компании вроде Sony, недавно продемонстрировавшей свой вариант DMFC устройства питающего мультимедийную систему , эти технологии в новинку, однако они всерьез намерены не затеряться на новом перспективном рынке. В свою очередь Sharp пошла еще дальше и с помощью своего прототипа топливного элемента недавно установила мировой рекорд удельной энергетической емкости для одного кубического сантиметра метилового спирта в 0.3 Вт. Компаниям-производителям этих топливных элементов пошли на встречу даже правительства многих стран. Так аэропорты в США, Канады, Великобритании, Японии и Китая не смотря на токсичность и горючесть метанола, отменили ранее действовавшие ограничения на его провоз в салоне самолета. Конечно, это допустимо только для сертифицированных топливных элементов емкостью не более 200 мл. Все же это в очередной раз подтверждает интерес к этим разработкам со стороны не только энтузиастов, но и государств.

Правда производители все же стараются перестраховываться и предлагают топливные элементы в основном в качестве резервной системы питания. Одним из таких решений является комбинация топливного элемента и аккумуляторной батареи: пока топливо есть, оно постоянно заряжает аккумулятор, а посте того, как оно заканчивается, пользователь просто заменяет пустой картридж на новую емкость с метанолом. Еще одним популярным направлением является создание зарядных устройств на топливных элементах. Ими можно пользоваться в пути. При этом они очень быстро могут заряжать аккумуляторы. Другими словами в будущем возможно каждый будет носить такую "розетку" в кармане. Такой подход может быть особенно актуален в случае с мобильными телефонами. В свою очередь ноутбуки вполне могут в обозримом будущем обзавестись встроенными топливными элементами, которые и если не полностью заменят зарядку от "розетки", то хотя бы станут ей серьезной альтернативой.

Так согласно прогнозу крупнейшей химической компании Германии BASF, недавно объявившей о начале строительства в Японии своего центра разработки топливных элементов, к 2010 году рынок этих устройств составит $1 миллиард. При этом ее аналитики предсказывают рост рынка топливных элементов до $20 миллиардов уже к 2020 году. К слову в этом центре BASF планирует разрабатывать топливные элементы для портативной электроники (в частности ноутбуков) и стационарных энергетических систем. Место для этого предприятия выбрано не случайно ¬ главными покупателями этих технологий немецкая компания видит именно местные фирмы.

Вместо заключения

Конечно, ждать от топливных элементов, что они станут заменой существующей системы энергоснабжения, не стоит. Во всяком случае в обозримом будущем. Это палка о двух концах: портативные электростанции конечно эффективнее, ввиду отсутствия потерь, связанных с доставкой электричества к потребителю, но при этом стоит и учесть, что стать серьезным конкурентом централизованной системе энергоснабжения они смогут лишь если будет создана централизованная система поставки топлива для этих установок. То есть "розетку" в конечном итоге должна заменить некая труба, поставляющая нужные реагенты в каждый дом и каждый закуток. А это уже не совсем та свобода и независимость от внешних источников тока, о которых говорят производители топливных элементов.

У этих устройств есть неоспоримое преимущество в виде скорости зарядки - попросту сменил картридж с метанолом (в крайнем случае, откупорил трофейный Jack Daniel"s) в фотоаппарате, и опять вприпрыжку по лестницам Лувра. С другой стороны, если, скажем, обычный телефон будет заряжаться за два часа и будет требовать перезарядки каждые 2-3 дня, то вряд ли альтернатива в виде смены картриджа, продаваемого лишь в специализированных магазинах, даже раз в две недели будет уж так востребована массовым пользователем. И, конечно же, пока эти сокрытые в безопасный герметический контейнер пару сотен миллилитров топлива дойдут до конечного потребителя, его цена успеет основательно подрасти. С этим удорожанием возможно будет бороться лишь масштабом производства,¬ а будет ли этот масштаб востребован на рынке? И пока не выбран оптимальный вид топлива, решить эту проблему будет весьма проблематично.

С другой стороны комбинация традиционной зарядки от "розетки", топливных элементов и иных альтернативных систем энергоснабжения (например, солнечные батареи) может стать тем решением проблемы диверсификации источников питания и перехода на экологические их виды. Впрочем, на определенной группе электронных продуктов топливные элементы могут найти широкое применение. Подтверждением тому служит то, что компания Canon недавно запатентовала собственные топливные элементы для цифровых камер и озвучила стратегию внедрения этих технологий в свои решения. Что до лэптопов, то, если до них в скором будущем и дойдут топливные элементы, то вероятнее всего лишь в качестве системы резервного питания. Сейчас, например, речь идет в основном лишь о внешних модулей зарядки, дополнительно подключаемых к ноутбуку.

Но эти технологии имеют огромные перспективы развития в долгосрочной перспективе. В частности в свете угрозы нефтяного голода, который может наступить в ближайшие несколько десятилетий. В этих условиях важнее, даже не то насколько дешевым будет производство топливных элементов, а насколько производство топлива для них будет независимо от нефтехимической отрасли и сможет ли покрыть потребность в нем.

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Wikimedia commons

Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким - это может быть и полимерный, и керамический материал.

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки

Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора - источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые образование взрывоопасных структур, и компоненты, возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы - в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа - газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство - совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду - окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых , например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) - устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов - высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых .

* * *

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов - «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых - топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике . Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Александр Дубов

Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно.

Устройство

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую.

Устройство топливного элемента включает три основные части:

1. Секция выработки энергии;
2. Процессор;
3. Преобразователь напряжения.

Основной частью топливного элемента является секция выработки энергии, которая представляет батарею, выполненную из отдельных топливных ячеек. В структуру электродов топливных ячеек включен платиновый катализатор. При помощи этих ячеек создается постоянный электрический ток.

Одно из таких устройств имеет следующие характеристики: при напряжении 155 вольт выдается 1400 ампер. Размеры батареи составляют 0,9 м в ширину и высоту, а также 2,9 м в длину. Электрохимический процесс в нем осуществляется при температуре 177 °C, что требует нагревания батареи в момент пуска, а также отвода тепла при ее эксплуатации. С этой целью в состав топливного элемента включается отдельный водяной контур, в том числе батарея оснащается специальными охлаждающими пластинами.

В топливном процессе происходит преобразование природного газа в водород, который требуется для электрохимической реакции. Главным элементом топливного процессора является реформер. В нем природный газ (или иное водородсодержащее топливо) взаимодействует при высоком давлении и высокой температуре (порядка 900 °C) с водяным паром при действии катализатора — никеля.

Для поддержания необходимой температуры реформера имеется горелка. Пар, который требуется для реформинга, создается из конденсата. В батарее топливных ячеек создается неустойчивый постоянный ток, для его преобразования применяется преобразователь напряжения.

Также в блоке преобразователя напряжения имеются:

• Управляющие устройства.
• Схемы защитной блокировки, которые отключают топливный элемент при различных сбоях.

Принцип действия

Простейший элемент с протонообменной мембраной состоит из полимерной мембраны, которая находится между анодом и катодом, а также катодными и анодными катализаторами. Полимерная мембрана применяется в качестве электролита.

• Протонообменная мембрана выглядит как тонкое твердое органическое соединение небольшой толщины. Данная мембрана работает как электролит, она в присутствии воды разделяет вещество на отрицательно, а также положительно заряженные ионы.
• На аноде начинается окисление, а на катоде происходит восстановительный. Катод и анод в PEM-элементе выполнены из пористого материала, он представляет смесь частичек платины и углерода. Платина работает в роли катализатора, что способствует протеканию реакции диссоциации. Катод и анод выполнены пористыми, чтобы кислород и водород сквозь них свободно проходили.
• Анод и катод находятся между двумя металлическими пластинами, они подводят кислород и водород к катоду и аноду, а отводят электрическую энергию, тепло и воду.
• Сквозь каналы в пластине молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы.
• В результате хемосорбции при воздействии катализатора атомы водорода преобразуются в положительно заряженные водородные ионы H+, то есть протоны.
• Протоны диффундируют к катоду через мембрану, а поток электронов идет к катоду через специальную внешнюю электрическую цепь. К ней подключена нагрузка, то есть потребитель электрической энергии.
• Кислород, который подается на катод, при воздействии вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода из протонообменной мембраны. В результате данной химической реакции появляется вода.

Химическая реакция, происходящая в топливных элементах иных типов (к примеру, с кислотным электролитом в виде ортофосфорной кислоты H3PO4) полностью идентична реакции устройства с протонообменной мембраной.

Виды

На текущий момент известно несколько видов топливных элементов, которые различаются составом применяемого электролита:

• Топливные элементы на базе ортофосфорной или фосфорной кислоты (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Устройства с протонообменной мембраной (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Электрохимические генераторы на базе расплавленного карбоната (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

На текущий момент большее распространение получили электрохимические генераторы, использующие технологию PAFC.

Применение

Сегодня топливные элементы используются в «Space Shuttle», космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья, в том числе для охлаждения оборудования.

Электрохимические генераторы также применялись для энергоснабжения советского «Бурана», корабля многоразового использования.

Топливные элементы находят применение и в гражданской сфере.

• Стационарные установки мощностью 5–250 кВт и выше. Они находят применение в качестве автономных источников для тепло- и электроснабжения промышленных, общественных и жилых зданий, аварийных и резервных источников электроснабжения, источников бесперебойного питания.
• Портативные установки мощностью 1–50 кВт. Они применяются для космических спутников и кораблей. Создаются экземпляры для тележек для гольфа, инвалидных колясок, железнодорожных и грузовых рефрижераторов, дорожных указателей.
• Мобильные установки мощностью 25–150 кВт. Они начинают применяются в военных кораблях и субмаринах, в том числе автомобилях и иных транспортных средствах. Опытные образцы уже создали такие автомобильные гиганты, как «Renault», «Neoplan», «Toyota», «Volkswagen», «Hyundai», «Nissan», ВАЗ, «General Motors», «Honda», «Ford» и другие.
• Микроустройства мощностью 1–500 Вт. Они находят применение в опытных карманных компьютерах, ноутбуках, бытовых электронных устройствах, мобильниках, современных военных приборах.

Особенности

• Часть энергии химической реакции в каждом топливном элементе выделяется в виде тепла. Требуется охлаждение. Во внешней цепи поток электронов создает постоянный ток, используемый для совершения работы. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.
• Количество электроэнергии, которую создают топливные элементы, определяется давлением газа, температурой, геометрическими размерами, видом топливного элемента. Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно сделать размеры топливных элементов больше, но на практике применяют несколько элементов, которые объединяются в батареи.
• Химический процесс в некоторых видах топливных элементов может быть обратным. То есть при подаче разности потенциалов на электроды воду можно разложить на кислород и водород, которые будут собираться на пористых электродах. С включением нагрузки подобный топливный элемент будет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективы

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода, топливные элементы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

• Автомобили будут работать на топливных элементах, ДВС в них вообще не будет. В качестве источника энергии будет применяться вода или твердотельный водород. Заправка будет простой и безопасной, а езда экологичной – будет вырабатываться только водяной пар.
• Все здания будут иметь собственные портативные энергогенераторы, выполненные на топливных элементах.
• Электрохимические генераторы заменят все аккумуляторы и будут стоять в любой электронике и бытовых приборах.

Достоинства и недостатки

У каждого вида топливного элемента свои недостатки и достоинства. Одни требуют высокого качество топлива, другие имеют сложную конструкцию, нуждаются в высокой рабочей температуре.

В целом же можно указать следующие достоинства топливных элементов:

• безопасность для окружающей среды;
• электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
• электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
• гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

• технические трудности с хранением и транспортом топлива;
• несовершенные элементы устройства: катализаторы, мембраны и так далее.

Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.