Топливный элемент: проблемы и перспективы

Водородный автомобиль
2001 г. Автомобиль «Нива» (Россия)
на топливном элементе, разработанном
для космического корабля «Буран»
2001 г. Автомобиль HydroGen1 (на базе Opel Zafira)
корпорации General Motors (США) – рекордсмен
среди машин на топливных элементах
2008 г. Городской автобус
на топливных элементах (Китай)
1982 г. Первый в мире
водородный микроавтобус
«Квант-РАФ» (СССР)

Цель и средства
программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании - почти в 10 раз больше

1973 год: нефтяное эмбарго

1974 год: экономический кризис, прогнозы истощения запасов нефти и создание Мировой водородной ассоциации
Темпы добычи
традиционных видов топлива

Традиционная энергетика и экология
Распределение валового выброса
по отраслям промышленности (Воронеж)
Изменение средней температуры на Земле

Топливный элемент (ТЭ)
Химический источник тока, в котором электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно поступающими к электродам ТЭ извне. Продукты реакции непрерывно выводятся из топливного элемента.

Преимущества электрохимического способа преобразования энергии

Топливный элемент: сравнение с гальваническим элементом и аккумулятором
Гальванический элемент
(«батарейка») – работает, пока
не израсходуются реагенты
Аккумулятор – требует
периодической подзарядки
может работать
неограниченное время, пока в него подаются
реагенты и отводятся продукты реакции

Открытие топливного элемента
Вильям Гроув
(1811 – 1896)
Людвиг Монд
(1839 – 1909)
Вильгельм Оствальд
(1853-1932)
Конструкция топливного
элемента В.Гроува

Водород – идеальное топливо для ТЭ
химически активный
экологически чистый – при его окислении образуется вода
удовлетворяет условию легкого подвода в топливный элемент и отвода продуктов реакции из ТЭ
оптимальный источник – вода, электролизом которой Н2 может быть получен (процесс энергоемкий)
сейчас водород получают за счет более дешевой переработки природного газа, основным компонентом которого является метан
СН4 + Н2О(пар) = 3Н2 + СО

Требования к электродам ТЭ
обеспечение условий для большой скорости токообразующей химической реакции в ТЭ
пористые
каталитически активные
универсальный материал - платина Pt
высокоактивна
долговечна
устойчива к коррозии и компонентам электролита.

Низкотемпературные щелочные ТЭ
Электролит - жидкий раствор щелочи
материал электродов – никель (устойчив в щелочных растворах)
Катализатор – платина
Применение –космические и военные программы ("Аполлон", "Шаттл", "Буран")
Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и чистых водорода и кислорода.
Батарея щелочных топливных
элементов космического корабля
«Буран» (СССР)
Космический корабль «Шаттл» (США),
системы обеспечения которого
работали на щелочных ТЭ

Низкотемпературные кислотные ТЭ
Электролит - жидкий раствор кислоты
Материал электродов – графит (устойчив в кислотных растворах)
Катализатор – платина и ее сплавы
Окислителем может служить кислород воздуха, так как компоненты воздуха химически не взаимодействуют с кислотным электролитом
Применение – в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях
Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и чистого водорода

ТЭ с твердополимерным электролитом
Электролит – твердая полимерная ионообменная мембрана
Материал электродов – графит
Катализатор – платина и ее сплавы
Восстановителем может служить метанол
Замена жидкого агрессивного электролита на мембрану упрощает герметизацию элемента, уменьшает коррозию и обеспечивает долгий срок службы ТЭ
Применение – на транспорте и стационарных установках небольшого размера
Коммерческое применение ограничено из-за использования платины и высокой стоимости ионообменных мембран

Недостатки платиновых катализаторов
высокая стоимость
дефицит природных запасов платины
платиновые электроды резко снижают свою активность ("отравляются") под воздействием примесей – каталитических ядов (например, монооксида углерода и соединений серы)

Биотопливный элемент
Принцип – использование природных катализаторов
Ферменты-гидрогеназы, ответственные за окисление и образование водорода, являются уникальными эффективными неплатиновыми катализаторами для этих процессов
Недостатки: малый срок службы и небольшая мощность

Высокотемпературные ТЭ: ускорение реакций на электродах при значительном повышении температуры
Тип 1
электролит - из расплава карбонатов лития и натрия, находящийся в порах керамической матрицы
материал катода - оксиды никеля и лития, анода – никель, легированный хромом
Тип 2
твердый электролит на основе оксидов циркония и иттрия
анод из никеля, модифицированного оксидом циркония, и катод из оксидных полупроводниковых соединений
Основная проблема – коррозия электродов и других деталей ТЭ.
Не приспособлены для работы в режиме частых запусков-остановок.

Преимущества топливных элементов
высокий коэффициент полезного действия
экологическая чистота
бесшумность
широкий диапазон мощностей и применяемого топлива
возможность параллельной генерации тепла
при необходимости можно использовать воду, которая является продуктом химической реакции

Проблемы коммерциализации ТЭ
высокая стоимость по сравнению с традиционными установками
недостаточный срок службы