098-98-797-98
066-98-797-98
093-800-92-08
Водородные топливные ячейки – энергия будущего
05.08.2014
Новые источники энергии для электротранспорта.
С приходом эпохи промышленной революции, человечество стало испытывать недостаток в мощных источниках энергии. Получение энергии с помощью работы пара, - первая массовая технология превращения тепловой энергии в механическую,- процесс довольно несовершенный. В качестве топлива для паровых котлов использовались невозобновляемые ресурсы – уголь и мазут. И хотя до середины 20 века, это ещё не рассматривалось как серьёзный недостаток, малый КПД таких систем, который даже вошёл в поговорку («КПД – как у паровоза») и смог от дыма в промышленных районах, вынуждал ученых и инженеров искать новые пути получения энергии. Тут и пришли на помощь чистые и мощные источники – водородные топливные ячейки, к созданию которых учёные подбирались целых полтора века.
История водородной энергетики.
В 1839 году английский исследователь Уильям Грове прославился благодаря созданию постоянного гальванического элемента (элемент Грове), но в истории он запомнился не только этим изобретением. Во время экспериментов с электролитической ячейкой, исследуя процесс электролиза, ученый открыл процесс электрохимического холодного горения водорода. Это явление стало знаменательным событием в энергетике и сыграло большую роль в развитии электрохимии, а впоследствии привело к созданию первых топливных элементов.
В 1889 году изобретателями Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером был предложен термин «топливный элемент». Они пытались создать устройство для выработки энергии из угольного газа и воздуха, используя реакции окисления органического топлива.
Множество исследователей по всему миру продолжали исследования в этой сфере, например, ученый Спиридонов изобрёл водородно-кислородный элемент с плотностью тока 30 мА на 1см2 рабочей поверхности.
В 20-х годах 20 века германские исследователи открыли способ использования твердооксидных топливных элементов и карбонатного цикла, которым пользуются и в наше время. В 40-е годы 20 века, О.Давтян создал установку, работающую на основе электрохимического сжигания генераторного газа. Из 1 кубометра газа, машина вырабатывала 5 кВт часов электроэнергии. Это был первый топливный элемент на твёрдом электролите с достаточно высоким КПД.
Английский исследователь Томас Бэкон доработал конструкцию топливных элементов того времени: заменил дорогую платину, используемую в качестве катализатора, на никель, а едкую серную кислоту – на щелочной электролит, тем самым уменьшив стоимость и увеличив время работы подобных устройств. В 1959 он сконструировал батарею топливных элементов с КПД 80% и общей мощностью 6кВт, однако её размеры были слишком велики для практического применения.
С середины 60-х годов прошлого века, топливные элементы привлекли внимание создателей космических аппаратов, что позволило выйти на новый уровень развития электрохимии. Американская компания General Electric доработала устройство Бэкона и создала электрогенерирующие системы для космических программ Apollo и Gemini. Плюсами использования топливных ячеек были малые размеры и способность обеспечивать экипаж не только энергией, но и водой, однако проблемы с долговечностью, стабильностью и безопасностью так и оставались нерешёнными, а вырабатываемая сила тока была сравнительно небольшой (от 100 до 200 мА/см2 рабочей поверхности ячейки), поэтому дальнейшего развития программа не получила.
В 90-х годах интерес к подобным источникам энергии опять возобновился. Это связано с глобальными экологическими проблемами, а также с исчерпанием углеводородных ресурсов, - основного источника энергии по сегодняшний день. Ведь в топливных элементах конечным продуктом горения является вода, что делает их наиболее чистыми и безопасными для природы и человека.
Принцип работы топливных ячеек.
В наше время в топливных ячейках используется два типа электролита: кислота или щелочь. От типа зависят и химические реакции, которые проходят в самом элементе.
Топливные элементы со щелочным электролитом работают по принципу, описанному реакциями на рисунке. Водород, поступающий через анод, в присутствии катализатора реагирует с ионами гидроксила (OH–), образуя воду и электрон. На катоде кислород вступает в реакцию с электронами внешней цепи и водой, образуя ионы гидроксила и пергидроксила. Результирующая реакция, проходящая на катоде, позволяет сохранять баланс вещества и заряда в электролите.
В современных топливных элементах с кислым электролитом, водород подаётся через полый анод, поступая через мелкие поры в материале электрода, и попадает в электролит. В процессе хемосорбции происходит разложение молекул водорода на атомы, превращающиеся в ионы с положительным зарядом, отдавая по одному электрону. Кислород подаётся на катод и также поступает в электролит, вступая в реакцию с водородом при участии катализатора. При соединении кислорода с водородом и электронами внешней цепи образуется вода.
Процессы, которые происходят в топливных элементах, по своей природе являются обратными процессу электролиза. Во время реакций часть энергии превращается в тепло, а поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, использующийся для совершения работы. Большинство реакций обеспечивают ЭДС около 1В.
Метаноловый топливный элемент.
В наше время ведутся разработки топливных элементов, в которых углеводородное топливо может использоваться в качестве источника водорода. Это так называемые метаноловые топливные элементы. В их конструкции появляется новый элемент – топливный преобразователь, что увеличивает их размер, однако решается проблема с топливом: метиловый спирт производится для химической промышленности в больших количествах, его транспортировка и хранение не составляют никаких проблем, а процесс зарядки источника сильно упрощается. Единственный минус такого источника – его меньшая эффективность. Существует возможность использования этилового спирта в качестве топлива для подобных источников. Это решило бы проблему с токсичностью метанола, однако эффективность работы этиловых топливных элементом еще меньше.
Топливные элементы современности.
За время разработок, были построены несколько типов топливных элементов, различающихся типом электролитов и видом топлива. Это элементы на щелочном электролите, фосфорно-кислотные топливные элементы, элементы на расплавленных карбонатах и твердооксидные топливные ячейки. Кроме стандартных водород-кислородных и метанольных источников тока могут существовать элементы, работающие на совершенно других видах топлива. Например, электроэнергию можно получать при окислении цинка, натрия и магния, изготавливая расходуемые электроды.
В наше время с этим видом источников энергии существует еще множество проблем, среди которых: снижение эффективности вследствие оммических потерь, диффузионных и поляризационных потерь, саморазогрев системы вследствие неэффективной работы теплоотвода, большие размеры подобных устройств.
/div>
Однако плюсов у водородных топливных ячеек гораздо больше, чем минусов. Чего стоит только абсолютная экологичность и достаточно высокий КПД. В отличие от современных паротурбинных установок, коэффициент полезного действия которых не превышает 40%, в существующих топливных элементах почти 70% энергии непосредственно превращается в электричество.
Водородные топливные элементы могут использоваться как в большой энергетике, так и в качестве замены стандартных источников энергии в автомобилях и бытовой технике.
В 1991 году в Калифорнии была введена в эксплуатацию электростанция, использующая технический водород в качестве топлива. В Японии такие станции работают еще с 1983 года. А по всей территории США располагаются теплофикационные установки с мощностью 40 кВт и КПД до 80%. Экологическая чистота станций на топливных батареях позволяет размещать их непосредственно в городах.
Топливные элементы на твёрдых оксидах обладают повышенной температурой работы и мощностью до 5 МВт. В качестве топлива могут использоваться продукты газификации твёрдого угля. Такими устройствами занимаются фирмы Vestingaus, Engelgird и International Fuel Cells, у каждой из которых имеются собственные разработки в области тепловых элементов.
В 1993 году был построен первый автобус, использующий энергию топливного элемента, с тех пор модели электробусов постоянно совершенствуются. В 1997 году были представлены прототипы легковых автомобилей с топливными источниками питания. Некоторые производители выпускают гибридные автомобили, в которых бензиновому двигателю помогает мотор на топливных элементах. Автомобиль PAC-Car II ,разработанный группой швейцарских ученых, считается самым быстрым и экономичным в мире и работает на водородном топливе. Чтобы объехать вокруг земного шара ему понадобится всего лишь 8 литров топлива.
Популярны топливные элементы и в области компьютерной и мобильной техники. Мобильная электроника нуждается в мощных, компактных и недорогих источниках питания, поэтому множество фирм ведёт свои разработки в этой области.
В 2004 году компания «Тошиба» продемонстрировала прототип метанолового топливного элемента с мощностью 100 мВт. 2 кубика метанола позволяют получать питание для 5 часов работы ноутбука и 20 часов работы плеера. Компания «Фуджитсу» представила свой топливный элемент, выдающий мощность 15 Вт и работающий 10 часов от 300 мл 30% раствора метанола. Источник фирмы Casio обеспечивает ноутбук энергией 20 часов.
Перспективы водородной энергетики.
Как только будет найден эффективный способ получения водорода, топливные элементы смогут использоваться повсеместно, и заменят уже привычные источники, работающие на углеводородном топливе. Для введения технологии в активное использование необходимы совершенно новые идеи. Очень большие надежды возлагают на нанотехнологии и концепцию биотопливных элементов. Недавно несколько компаний заявили о создании эффективных катализаторов из различных металлов, к тому же появились сведения о создании топливных элементов без мембран, что позволит значительно удешевить конструкции новейших топливных ячеек.
К сожалению, преимущества водородных топливных устройств пока не могут перевесить их главный недостаток – более высокую стоимость, по сравнению с устройствами, сжигающими углеводороды для получения энергии, - например двигателями внутреннего сгорания. Расходы на создание водородной энергоустановки составляют от 500 до нескольких тысяч долларов за 1 кВт. Остаётся только надеяться на новые изобретения, удешевляющие их изготовление и тогда человечество будет обеспечено мощным, компактным, а главное экологически чистым источником энергии.
ТМ « Volta bikes».
* Перепечатка без ссылки на сайт www.e-bike.com.ua запрещена и преследуется по Закону о защите авторских прав.