Топливные элементы

Топливный элемент, или электрохимический генератор, -это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твёрдого, жидкого или газообразного топлива.

Топливный элемент (ТЭ) напоминает обычную гальваническую батарею - с той разницей, что батарея расходует запасённую в ней энергию, а ТЭ постоянно подпитывается топливом извне.

Принцип действия топливных элементов был открыт ещё в 1839 г. английским учёным Уильямом Гроувом. Он обнаружил, что процесс электролиза воды, то есть её разложения на водород и кислород посредством электрического тока, обратим. Оказалось, что водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, У Гроув назвал газовой батареей (gas battery) - это и был первый топливный элемент.

В качестве топлива для ТЭ может использоваться не только чистый водород, но и водородосодержащее сырьё, например природный газ, аммиак, метанол или бензин. В этих случаях для предварительного преобразования сырья в водород применяется химический процесс, называемый каталитическим риформингом. Источником необходимого для реакции кислорода служит воздух. Единственный продукт реакции чистого водорода с кислородом - это водяной пар. При этом в атмосферу не выбрасываются никакие газы, вызывающие загрязнение воздушной среды. Если же в качестве топлива используется, скажем, природный газ (метан), побочными продуктами реакции будут и другие газы, в частности оксиды углерода и азота, однако в значительно меньшем количестве, чем при сжигании такого же количества метана.

Принцип действия

Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего его вида с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом и катодом, снабжёнными катализаторами. Обычно протонообменная мембрана представляет собой плёнку из полимера, в структуре которого сочетаются гидрофобная основная цепь и боковые фрагменты, содержащие кислотные группы (гидрофильная часть). Если в мембране присутствует вода, она собрается вблизи кислотных групп и образует гидратные области (капельки) с линейным размером порядка 1 нм. Именно в этих областях и образуются различные гидратированные формы протонов, способные свободно перемещаться.

Гидрофобная же часть полимера содержит алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты и образует прочный каркас, обеспечивающий механическую прочность мембраны.

Водород поступает на анод топливного элемента, где его атомы разлагаются на электроны и протоны:

H2 = 2e- + 2H+

Электроны поступают во внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны, в свою очередь, проходят сквозь протонообменную мембрану на катодную сторону, где с ними соединяются кислород и электроны из внешней электрической цепи с образованием воды:

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

Побочными продуктами реакции являются тепло и водяной пар. Анод и катод в PEM-элементе изготовлены из пористого материала, обычно - смеси частиц углерода и платины. Пористая структура электродов необходима для свободного прохождения сквозь них реакционных газов. Платина служит катализатором, способствуя протеканию реакции. Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к электродам водород и кислород, а отводят тепло, воду и электрическую энергию.

Количество производимой электрической энергии зависит от типа ТЭ, его геометрических размеров, температуры, давления газа. Напряжение, создаваемое единичным топливным элементом, обычно не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения топливные элементы соединяют последовательно в батареи, а для получения необходимого тока батареи ТЭ включают параллельно. Такие батареи вместе с системами газораспределения и терморегулирования монтируют в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором.

Химическая реакция в ТЭ других типов (например, с кислотным электролитом) идентична реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной. В любом ТЭ часть энергии химического взаимодействия выделяется в виде тепла. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.

Типы топливных элементов

В настоящее время известно несколько типов ТЭ, различающихся составом используемого электролита и другими параметрами. Кратко рассмотрим четыре типа ТЭ, которые получили наибольшее распространение.

ТЭ с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160°C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток элементов этого типа - высокие требования к качеству топлива, поскольку его загрязнения могут вывести из строя мембрану. Номинальная мощность ТЭ составляет 1-100 кВт, КПД по выходу электроэнергии 30-35%, суммарный КПД (с учётом отдачи тепла) - до 70%.

ТЭ на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) имеют диапазон рабочих температур 150-200°C. Основная область их применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (до 500 кВт). В качестве электролита в этих ТЭ используется раствор орто-фосфорной кислоты H3PO4. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.

Электрический КПД PAFC-элементов составляет 37-42%. Однако, поскольку эти ТЭ работают при достаточно высокой температуре, имеется возможность использовать образующийся пар для дополнительной генерации. В этом случае общий КПД может достигать 90%.

ТЭ на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) функционируют при очень высоких температурах -600-700°C. Это позволяет непосредственно использовать водородсодержащее сырьё - без применения отдельного риформера. Технологический процесс, получивший название «внутренний риформинг», позволяет значительно упростить конструкцию электрохимического генератора.

В ТЭ этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650°C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии. На аноде водород взаимодействует с ионами (CO3)2- с образованием воды и диоксида углерода, высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы (CO3)2-.

ТЭ на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени на запуск и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - электрический КПД доходит до 60%, а общий - до 85%. Твёрдооксидные ТЭ (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) характеризуются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах: 700-1000°C. Такие температуры позволяют использовать относительно «грязное», слабо очищенное топливо. Как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, их область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

Твёрдооксидные ТЭ конструктивно отличаются от ТЭ на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит здесь изготовлены из специальных сортов керамики. Чаще всего в качестве электролита используется смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут применяться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет в их производстве использовать технологии электронной промышленности. Благодаря тому, что твёрдооксидные ТЭ могут работать при очень высоких температурах, их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.

При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в элементе, то есть нет необходимости в отдельном риформере.

О практическом применении ТЭ, их достоинствах и недостатках мы поговорим в публикации, которая планируется в одном из номеров газеты «Энерговектор».