ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ - ТО́ПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ, гальванические элементы, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, напр. водорода, и окислителя, напр. кислорода) из специальных резервуаров. Важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии в электрическую. Используются в автономных энергетических установках, напр., на космических аппаратах.
Неоспоримым достоинством топливных элементов является то, что они не загрязняют окружающую среду, работают бесшумно и не подвержены механическим повреждениям, так как их детали во время работы неподвижны. Кроме того, они просты в изготовлении, а их кпд, или доля химической энергии, преобразующейся в тепловую и электрическую, а в автомобилях - в кинетическую, достигает 45 - 60% (для сравнения: кпд двигателя внутреннего сгорания около 15%).
В 1839 г. английский ученый У. Р. Грове (см. ГРОВЕ Уильям Роберт) доказал, что процесс электролиза обратим, и при электрохимической реакции водорода с кислородом можно генерировать электрический ток. Элемент Грове стал использоваться лишь в ХХ веке в пилотируемых космических полетах (питание бортовых радиостанций и обеспечение водой).
Суть реакции
В топливном элементе происходит реакция кислорода с водородом (2H + O2 = 2H2O), при которой не происходит горения, поэтому она безопасна.
Водород концентрируется вблизи положительного электрода - анода, а кислород вблизи отрицательного - катода. Поверхность анода обычно покрывают платиной - высокоэффективным катализатором, но в некоторых типах элементов используется никель или перовскит ( сложный окисел кальция и титана CaTiO3). Катализатор отрывает электрон от атома водорода, вызывая его ионизацию. В результате из электрически нейтрального атома водорода образуются положительно заряженный ион и свободный электрон.
Электроны и ионы водорода движутся к катоду: ионы через электролит, электроны через контур элемента, генерируя в нем электрический ток. Побочным продуктом реакции является вода, а в высокотемпературных элементах - тепловая энергия.
Электролит и электроды
Вместо жидкого электролита используются другие среды, например, керамический материал или мембраны. Проводимость ионов зависит от температуры, которая может меняться от комнатной до 1000 °C. При такой высокой температуре возникают дополнительные проблемы.
Анод и катод изготавливаются из пористого материала, например меди или никеля, с большим числом микроканалов, чтобы газ взаимодействовал с электролитом на максимально большой поверхности (чем больше поток газа и его давление, тем больше энергии генерирует элемент).
Топливный элемент генерирует постоянный ток напряжением 0,6 - 0,9 В и мощностью 0,3 - 0,6 Вт. Элементы объединяют в батареи. Напряжение будет зависеть от числа элементов в батарее, а сила тока - от их суммарной поверхности. Мощность батареи может достигать 30 - 50 кВТ при размерах устройства, позволяющих разместить его в легковом автомобиле.
Типы элементов
1. Топливный элемент на ортофосфорной кислоте (PAFC). Наличие кислоты в электролите позволяет работать при средней для топливных элементов температуре до 200 °C. Отличает высокий кпд (до 80%), возможность использования водорода с примесью окиси углерода.
Применяемый едкий электролит затрудняет подключение других устройств. Топливный элемент данного типа используется для снабжения зданий электрическим током.
2. Щелочной топливный элемент (AFC). В качестве электролита используется раствор едкого натрия или едкого калия. Рабочая температура устройства ниже 100 °C.
Щелочные топливные элементы делают из сравнительно дешевых материалов, их отличает более низкое содержание платины, чем в кислотных элементах.
К недостаткам относятся большие размеры; потребность в чистом кислороде и чистом водороде; жидкий электролит вызывает коррозию.
Применяются в космических аппаратах.
3. Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC). Электролитом служит калиево-литиевый карбонат, проводящий ионы при температуре до 650 °C.
Это элемент с самым высоким кпд; к достоинствам относится отсутствие платинового катализатора; водород может содержать примесь окиси углерода либо извлекаться из природного газа, пропана и др.
Недостатки - из-за высоких температур имеются конструктивные проблемы.
Применяется для обогрева зданий и запуска турбин.
4. Топливный элемент с твердым электролитом (SOFC). Вместо жидкого электролита используется керамический материал. Вода, образующаяся при температуре около1000 °C, находится в состоянии перегретого пара.
Топливный элемент с высоким кпд и высокой мощностью. Можно использовать богатый водородом газ без реформинга.
Применение ограничено из-за высокой стоимости (термостойкие материалы пока чоень дороги). Используется дляобогрева зданий и как источник тока. На крупных электростанциях для запуска паровых турбин.
5. Топливный элемент с протонно-обменной мембраной (PEM). Электролитом служит органическая мембрана, пропускающая в одном направлении.
Один из самых перспективных типов топливных элементов, отличается маленькими размерами, высоким кпд, низкой рабочей температурой (около 100 °C).
Недостатки - высокая стоимость, необходимость специального приготовления топлива (водорода, который должен быть очень чистым и не содержать примесей окиси углерода). Короткое время жизни.
Используется в бытовых приборах, так как материалы (кроме дорогих катализаторов) дешевле, чем в высокотемпературных элементах: для производства элементов питания, используемых в маленьких переносных устройствах (мобильные телефоны, системы автономного питания), для использования в средствах передвижения, где необходим быстрый запуск двигателя.
6. Метаноловый топливный элемент прямого действия (DMFC). Разработан в 1999 г. канадской фирмой «Баллард Пауэр Систем». Электролитом служит полимерная мембрана. Водород поступает непосредственно из метанола. В реакции метанола CH3OH с водой образуется метан (удаляемый из устройства) и водород.
Малые размеры сочетаются с отсутствием реформинга, легкостью хранения метанола.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость платинового катализатора; сравнительно низкое напряжение, невысокий кпд (около 40%).
Перспективный элемент для использования в автомобилях.
Водород
Кислород для топливного элемента обычно берется из воздуха, тогда как водород поставляется либо чистый (жидкий или газообразный), либо с примесью окиси углерода, либо его извлекают из метанола, аммиака, природного газа, пропана и других углеводородов посредством химического процесса, называемого реформингом.
Поскольку чистый водород трудно хранить, лучше извлекать его из метанола, который, во-первых, легко хранить при комнатой температуре и, во-вторых, водород в его молекуле связан слабее всего и его легче всего оторвать от атома углерода. Однако в ходе реформинга появляются нежелательные примеси, такие, как окись и двуокись углерода, остатки метанола и формальдегид. Для их удаления необходимо дополнительное оборудование, что повышает стоимость топливных элементов и увеличивает их размеры.
Применение
Топливные элементы в будущем могут использоваться: а) в автомобилях для запуска двигателей (экспериментальные устройства есть уже сегодня); б) в энергетике, где отказываются от мощных электростанций в пользу небольших местных электростанций; в) в электронике (в качестве источников питания для сотовых телефонов, ноутбуков и других мобильных устройств).
В 2001 г. в Германии был создан первый легковой автомобиль на топливных элементах - «Мерседес Спринтер» фирмы «Даймлер - Крайслер». Первые серийные легковые автомобили «Хонда FCX» и «Тойота FCHV-4» появились на рынке в 2002 г. В Германии на некоторых линиях используют автобусы на топливных элементах.