Химия и ток. Топливные элементы Источник питания на водороде

Когда-то в будущем, о начале нашего века возможно скажут, что растущие цены на нефть и беспокойство об окружающей среде привели к резкому расширению кругозора автопроизводителей и заставили их разрабатывать и внедрять все новые и новые виды топлива и двигателей.

Одним из этих видов топлива будут называть водород. Как известно, при соединении водорода и кислорода получается вода, а значит, если поставить этот процесс в основу двигателя автомобиля, то выхлопом будет не смесь опасных газов и химических элементов, а обычная вода.

Не смотря на некоторые технические сложности, связанные с использованием водородных топливных элементов (ТЭ), автопроизводители не собираются сдаваться и уже разрабатывают свои новые модели с водородом в качестве топлива. На Франкфуртском автосалоне 2011 года можно было видеть как один из флагманов автоиндустрии, Daimler AG представила публике несколько прототипов Mercedes-Benz с водородным двигателем. В этом же году корейская Hyndai объявила, что откажется от разработок электромобилей и сконцентрируется на разработке автомобилей, которые будут использовать водородные топливные элементы.

Не смотря на это активное развитие, не так много людей точно представляют себе, что именно представляют собой эти водородные ТЭ и что у них внутри.

Для того, чтоб прояснить ситуацию, давайте обратимся к истории водородных топливных элементов.

Первым, кто теоретически описал возможность создания водородного ТЭ, был немец Christian Friedrich Schönbein. В 1838 году он описал принцип в одном из научных журналов того времени.

Годом позже. В 1939, судья из Уэльса, сэр Sir William Robert Grove создал и продемонстрировал практически работающую водородную батарею. Но заряда, производимого батареей, было недостаточно, чтоб изобретение получило широкое употребление.

Термин «топливный элемент» был впервые использован в 1889 исследователями Ludwig Mond и Charles Langer, которые совершили попытку создать работающий ТЭ с использованием воздуха и коксового газа. По другой версии, первым, кто использовал термин «топливный элемент», был William White Jaques. Он также был первым, кто использовал фосфорную кислоту в электролитной ванне.

В 1920-х годах исследования, проведенные в Германии, открыли пути использования карбонатного цикла и твердооксидных топливных элементов, которыми пользуются сейчас.

В 1932 инженер Francis T Bacon начал свое исследование водородных ТЭ. До него, исследователи использовали пористые электроды из платины и серную кислоту в электролитной ванне. Платина делала производство очень дорогим, а серная кислота создавала дополнительные сложности из-за своей едкости. Бэйкон заменил дорогую платину на никель, а серную кислоту - на менее едкий щелочной электролит.

Бэйкон постоянно совершенствовал свою разработку и в 1959 году смог представить публике 5-киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. Исследователь назвал свой ТЭ «Bacon Cell».

В октябре того же 1959 года Harry Karl Ihrig продемонстрировал трактор мощностью в 20 лошадиных сил, который стал первым в мире транспортным средством, получавшим питание от топливного элемента.

В 1960-х годах американская General Electric использовала принцип работы топливного элемента Бэйкона и разработала систему генерации электроэнергии для космических программ NASA Gemini и Apollo. NASA просчитали, что использовать ядерный реактор было бы слишком дорого, а обычные аккумуляторы или солнечные батареи требовали слишком много пространства. Кроме того, водородные топливные элементы могли одновременно снабжать корабль электроэнергией, а экипаж - водой.

Первый автобус на водородном ТЭ был построен в 1993 году. В 1997 году автопроизводители Daimler Benz и Toyota представили свои прототипы легковых автомобилей.

Комментарии:

А про работы по теме ТЭ в СССР забыли сказать, да?

при получении электричества будет образовываться вода. и чем больше первого тем больше и её. А теперь представим себе как быстро капельки забьют все топливные ячейки и каналы прохода газов – Н2, О2 А как будет работать этот генератор при минусовой температуре?

вы предлагаете сжечь десятки тон угля,выбросив в атмосферу тонны сажи получить водород,чтоб получить пару ампер тока для новомодной тесло?!
где жеж тут экономия с экологией?!

Вот оно – костность мышления!
Зачем сжигать тоны угля? Мы живем в 21 веке и уже есть технологии позволяющие получать энергию вообще ничего не сжигаю. Остается только грамотно аккумулировать эту энергию для удобного дальнейшего использования.

Топливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

История появления

В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета - электричество, воду и тепло.

Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века - в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.

Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.

Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Типы

Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Общие понятия

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.

Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов - катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.

Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

• Повышенная удельная теплоемкость.
• Широкий температурный диапазон эксплуатации.
• Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
• Надежность при холодном запуске.
• Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
• Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
• Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
• Длительный срок эксплуатации.
• Бесшумность и экологичность работы.
• Высокий уровень энергоемкости.
• Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Область применения

Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:

• Портативные зарядные устройства.
• Энергоснабжающие системы для БПЛА.
• Источники бесперебойного питания.
• Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка - высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

Топливный элемент - что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.

История топливных элементов

История топливных элементов - это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.

Всё началось в 1839 году , когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название "топливный элемент" было подарено изобретению в год его юбилея - в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер - авторы термина.

Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».

Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК "Энергия"разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа "Буран" также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.

Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.

Принцип работы топливных элементов

Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. 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, способствующих протеканию реакции диссоциации:

2H 2 → 4H + + 4e -

где H 2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + - ионизированный водород (протон); е - - электрон.

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

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

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 (нагрузка, например, лампочка):

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Характеристики топливных элементов

Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:

• они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),

  химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),

  они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).

Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В . Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.

У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80% ,

КПД почти не зависит от коэффициента загрузки ,

Ёмкость в несколько раз выше , чем в существующих аккумуляторах,

Полное отсутствие экологически вредных выбросов . Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).

Виды топливных элементов

Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:

по используемому топливу,

по рабочему давлению и температуре,

по характеру применения.

В целом, выделяют следующие типы топливных элементов :

Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells - SOFC);

Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);

Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);

Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell - DMFC);

Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);

Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);

Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells - AFC).

Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.

Проблемы топливных элементов

Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия "упакованного" водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично - курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H 2 S (сероводород), которые отравляют катализатор.

Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.

Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.

Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение

Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:

Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.

Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона - до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.

Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол - достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.

За топливными элементами - будущее!

Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.

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

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД - 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них - процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа . Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана - не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод - электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа - большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество - водород- электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии - к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Водородное будущее

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика - это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.