Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.

Описание:

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов .

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода - анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

– надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

– высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

– длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

Применение:

– системы энергоснабжения для БПЛА,

– портативные зарядные устройства,

– источники бесперебойного питания,

– другие устройства.

Еще средневековый ученый Парацельс во время одного из своих экспериментов заметил, что при контакте серной кислоты с феррумом образуются воздушные пузырьки. В действительности то был водород (но не воздух, как считал ученый) – легкий бесцветный газ, не имеющий запаха, который при определенных условиях становится взрывоопасным.

В нынешнее время отопление водородом своими руками – вещь весьма распространенная. Действительно, водород можно получать практически в неограниченном количестве, главное, чтобы были вода и электроэнергия.

Такой способ отопления был разработан одной из итальянских компаний. Водородный котел работает, не образуя никаких вредных отходов, из-за чего считается самым экологическим и бесшумным способом обогрева дома. Инновация разработки в том, что ученым удалось добиться сжигания водорода при относительно низкой температуре (порядка 300ᵒС), а это позволило изготавливать подобные отопительные котлы из традиционных материалов.

При работе котел выделяет только безвредный пар, и единственное, что требует затрат – это электроэнергия. А если совместить такое с солнечными панелями (гелиосистемой), то эти расходы можно и вовсе свести к нулю.

Обратите внимание! Зачастую котлы на водороде используются для нагрева систем «теплого пола», которые можно легко смонтировать своими руками.

Как же все происходит? Кислород вступает в реакцию с водородом и, как мы помним из уроков химии в средних классах, образует молекулы воды. Реакция провоцируется катализаторами, в результате выделяется тепловая энергия, нагревающая воду примерно до 40ᵒС – идеальной температуры для «теплого пола».

Регулировка мощности котла позволяет добиться определенного температурного показателя, необходимого для отопления помещения с той или иной площадью. Также стоит отметить, что такие котлы считаются модульными, т. к. состоят из нескольких независимых друг от друга каналов. В каждом из каналов имеется упомянутый выше катализатор, в результате в теплообменник поступает теплоноситель, уже достигший необходимого показателя в 40ᵒС.

Обратите внимание! Особенностью такого оборудования является то, что каждый из каналов способен вырабатывать разную температуру. Таким образом, один из них можно провести к «теплому полу», второй к соседнему помещению, третий к потолку и т. д.

Основные достоинства отопления на водороде

Данный способ обогрева дома имеет несколько существенных преимуществ, которыми обусловлена возрастающая популярность системы.

1. Впечатляющий КПД, который нередко достигает 96%.
2. Экологичность. Единственный побочный продукт, выделяющийся в атмосферу – это водяной пар, который не способен навредить окружающей среде в принципе.
3. Водородное отопление постепенно заменяет традиционные системы, освобождая людей от необходимости в добыче природных ресурсов – нефти, газа, угля.
4. Водород действует без огня, тепловая энергия образуется путем каталитической реакции.

Можно ли самостоятельно сделать водородное отопление?

В принципе, это возможно. Главный элемент системы – котел – можно создать на основе ННО генератора, то есть, обычного электролизера. Все мы помним школьные опыты, когда засовывали в емкость с водой оголенные провода, подключенные к розетке путем выпрямителя. Так вот, для сооружения котла вам потребуется повторить этот опыт, но уже в более крупных масштабах.

Обратите внимание! Водородный котел используется с «теплым полом», о чем мы уже говорили. Но обустройство такой системы – это тема уже другой статьи, поэтому мы будем опираться на то, что «теплый пол» уже устроен и готов к использованию.

Постройка водородной горелки

Приступаем к созданию водной горелки. Традиционно, начинать будем с приготовления необходимых инструментов и материалов.

Что потребуется в работе

1. Лист «нержавейки».
2. Обратный клапан.
3. Два болта 6х150, гайки и шайбы к ним.
4. Фильтр проточной очистки (от стиральной машины).
5. Прозрачная трубка. Для этого идеально подходит водяной уровень – в магазинах стройматериалов он продается по 350 рублей за 10 м.
6. Пластиковый герметичный контейнер для пищи емкостью 1,5 л. Примерная стоимость – 150 рублей.
7. Штуцеры с «елочкой» ø8 мм (такие отлично подойдут для шланга).
8. Болгарка для распиливания металла.

А теперь разберемся, какую именно нержавеющую сталь нужно использовать. В идеале для этого следует взять сталь 03Х16Н1. Но купить целый лист «нержавейки» порой весьма накладно, ведь изделие толщиной 2 мм стоит более 5500 рублей, к тому же его нужно как-то привезти. Поэтому, если где-то завалялся небольшой кусок такой стали (хватит и 0,5х0,5 м), то можно обойтись и им.

Мы будем использовать нержавеющую сталь, потому что обычная, как известно, в воде начинает ржаветь. Более того, в нашей конструкции мы намерены применять щелочь вместо воды, то есть среду более чем агрессивную, да и под действием электротока обычная сталь долго не прослужит.

Видео — Генератор газа Брауна простая модель ячейки из 16 пластин нержавеющей стали

Инструкция по изготовлению

Первый этап. Для начала берем лист стали и размещаем его на ровной поверхности. Из листа указанных выше размеров (0,5х0,5 м) должно получиться 16 прямоугольников для будущей горелки на водороде, вырезаем их болгаркой.

Обратите внимание! Один из четырех углов каждой пластины мы спиливаем. Это необходимо, чтобы в будущем соединить пластины.

Второй этап. С обратной стороны пластин просверливаем отверстия для болта. Если бы мы планировали сделать «сухой» электролизер, то просверлили отверстия и снизу, но в данном случае этого делать не надо. Дело в том, что «сухая» конструкция порядком сложнее, да и полезная площадь пластин в ней использовалась бы не на 100%. Мы же сделаем «мокрый» электролизер – пластины полностью погрузятся в электролит, а в реакции будет участвовать вся их площадь.

Третий этап. Принцип работы описываемой горелки основывается на следующем: электроток, проходя через погруженные в электролит пластины, приведет к тому, что вода (она должна входить в состав электролита) разложится на кислород (О) и водород (Н). Следовательно, мы должны располагать одновременно двумя пластинами – катодом и анодом.

С увеличением площади этих пластин увеличивается объем газа, поэтому в данном случае используем по восемь штук на катод и анод, соответственно.

Обратите внимание! Рассматриваемая нами горелка – это конструкция с параллельным включением, которая, честно говоря, является не самой эффективной. Но она более простая в выполнении.

Четвертый этап. Далее нам предстоит установить пластины в пластиковый контейнер так, чтобы они чередовались: плюс, минус, плюс, минус и т. д. Для изоляции пластин используем куски прозрачной трубки (мы купили ее целых 10 м, поэтому запас есть).

Нарезаем из трубки небольшие кольца, разрезаем их и получаем полоски толщиной примерно 1 мм. Это идеальное расстояние, чтобы водород в конструкции эффективно генерировался.

Пятый этап. Пластины крепим друг к другу с помощью шайб. Делаем это следующим образом: надеваем шайбу на болт, затем пластину, после нее три шайбы, еще одну пластину, опять три шайбы и т. д. Восемь штук вешаем на катод, восемь – на анод.

Обратите внимание! Это нужно делать зеркально, то есть, анод мы разворачиваем на 180ᵒ. Так «плюса» зайдут в зазоры между пластинами «минуса».

Шестой этап. Смотрим, куда именно в контейнере упираются болты, просверливаем в том месте отверстия. Если вдруг болты не помещаются в контейнер, то мы спиливаем их до требуемой длины. Затем вставляем болты в отверстия, надеваем на них шайбы и зажимаем гайками – для лучшей герметичности.

Далее проделываем дыру в крышке для штуцера, вкручиваем сам штуцер (желательно намазав место соединения силиконовым герметиком). Дуем в штуцер, чтобы проверить герметичность крышки. Если воздух все же выходит из-под нее, то промазываем и это соединение герметиком.

Седьмой этап. По окончании сборки тестируем готовый генератор. Для этого подключаем к нему любой источник, заполняем контейнер водой и закрываем крышку. Далее на штуцер надеваем шланг, который опускаем в емкость с водой (чтобы увидеть пузырьки воздуха). Если источник недостаточно мощный, то их в емкости не будет, но вот в электролизере они появятся обязательно.

Далее нам нужно повысить интенсивность выхода газа посредством увеличения напряжения в электролите. Здесь стоит отметить, что вода в чистом виде не является проводником – ток проходит через нее благодаря имеющимся в ней примесям и соли. Мы же разбавим в воде немного щелочи (к примеру, гидроксид натрия отлично подходит – в магазинах он продается в виде чистящего средства «Крот»).

Обратите внимание! На этом этапе мы должны адекватно оценить возможности источника питания, поэтому перед вливанием щелочи мы подключаем к электролизеру амперметр – так мы сможем проследить увеличение тока.

Видео — Отопление водородом. Аккумуляторы на водородном элементе

Далее поговорим о других составляющих водородной горелки – фильтре для стиралки и клапане. Оба предназначаются для защиты. Клапан не позволит загоревшемуся водороду проникнуть обратно в конструкцию и взорвать скопившийся под крышкой электролизера газ (пусть его там и немного). Если не установим клапан, то контейнер повредится и щелочь вытечет наружу.

Фильтр же потребуется для изготовления водяного затвора, который будет играть роль барьера, предотвращающего взрыв. Народные умельцы, не понаслышке знакомые с конструкцией самодельной горелки на водороде, называют этот затвор «бульбулятором». И правда, он по сути лишь создает пузырьки воздуха в воде. Для самой горелки используем все тот же прозрачный шланг. Все, водородная горелка готова!

Остается лишь подсоединить ее к входу системы «теплый пол», герметизировать соединение и начать непосредственно эксплуатацию.

В качестве заключения. Альтернатива

Альтернативой, пускай и весьма спорной, является газ Брауна – химическое соединение, которое состоит из одного атома кислорода и двух водорода. Горение такого газа сопровождается образованием тепловой энергии (притом в четыре раза мощнее, чем в описанной выше конструкции).

Для отопления дома газом Брауна тоже используются электролизеры, ведь этот способ получения тепла также основан на электролизе. Создаются специальные котлы, в которых под действием переменного тока молекулы химических элементов разъединяются, образуя заветный газ Брауна.

Видео – Обогащенный газ Брауна

Вполне возможно, что инновационные энергоносители, резерв которых практически безграничен, вскоре вытеснят невозобновляемые природные ресурсы, освободив нас от необходимости в перманентной добычи ископаемых. Такой ход событий позитивно скажется не только на окружающей среде, но и на экологии планеты в целом.

Также читайте на нашем статью — паровое отопление своими руками.

Видео – Отопление водородом

Сразу хочу предупредить, что этот топик не совсем по тематике Хабра, но в комментариях к посту про разработанный в MIT элемент идею вроде бы поддержали, так что ниже я опишу некоторые соображения о биотоливных элементах.
Работа, на основе которой написан данный топик, выполнялась мной в 11 классе, и заняла второе место на международной конференции INTEL ISEF.

Топливный элемент – химический источник тока, в котором химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую
энергию. Принципиальная схема топливного элемента (ТЭ) представлена ниже:

ТЭ состоит из анода, катода, ионного проводника, анодной и катодной камеры. На данный момент мощности биотопливных элементов недостаточно для использования в промэшленных масшатабах, но БТЭ с небольшой мощностью могут использоваться для медицинских целей как чувствительные датчики поскольку сила тока в них пропорциональна количеству перерабатываемого топлива.
К настоящему времени предложено большое число конструктивных разновидностей ТЭ. В каждом конкретном случае конструкция ТЭ зависит от назначения ТЭ, типа реагента и ионного проводника. В особую группу выделяют биотопливные элементы, в которых используются биологические катализаторы. Важной отличительной чертой биологических систем является их способность к селективному окислению различных топлив при низкой температуре.
В большинстве случаев в биоэлектрокатализе используют иммобилизованные ферменты, т.е. ферменты, выделенные из живых организмов и закрепленные на носителе, но сохранившие при этом каталитическую активность (частично или полностью), что позволяет использовать их повторно. Рассмотрим на примере биотопливный элемент, в котором ферментативная реакция сопряжена с электродной при использовании медиатора. Схема биотопливного элемента на основе глюкозооксидазы:

Биотопливный элемент состоит из двух инертных электродов из золота, платины или углерода, погруженных в буферный раствор. Электроды разделены ионообменной мембраной: анодное отделение продувается воздухом, катодное - азотом. Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. Подходящие для биосенсоров мембраны разных типов выпускаются в Великобритании многими фирмами (ВДН, ВИРОКТ).
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и растворимый медиатор, при 20 °С приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента (глюкозы). Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ. Как сенсор, описанный биотопливный элемент, имеет определенные ограничения, связанные с присутствием медиатора и определенными требованиями к кислородному катоду и мембране. Последняя должна удерживать фермент и в тоже время пропускать низкомолекулярные компоненты: газ, медиатор, субстрат. Ионообменные мембраны, как правило, удовлетворяют этим требованиям, хотя их диффузионные свойства зависят от рН буферного раствора. Диффузия компонентов через мембрану приводит к снижению эффективности переноса электрона вследствие побочных реакций.
На сегодняшний день имеются лабораторные модели топливных элементов с ферментными катализаторами, которые по своим характеристикам не отвечают требованиям их практического применения. Основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на доработку биотопливных элементов и дальнейшее применение биотопливного элемента будет связано большей степенью с медициной, например: вживляемый биотопливный элемент, использующий кислород и глюкозу.
При использовании ферментов в электрокатализе главной проблемой, требующей решения, является проблема сопряжения ферментативной реакции с электрохимической, то есть обеспечение эффективного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод, что может достигаться следующими путями:
1. Перенос электронов с активного центра фермента на электрод с помощью низкомолекулярного переносчика - медиатора (медиаторный биоэлектрокатализ).
2. Непосредственное, прямое окисление и восстановление активных центров фермента на электроде (прямой биоэлектрокатализ).
При этом медиаторное сопряжение ферментативной и электрохимической реакции в свою очередь можно осуществить четырьмя способами:
1) фермент и медиатор находятся в объеме раствора и медиатор диффундирует к поверхности электрода;
2) фермент находится на поверхности электрода, а медиатор в обьеме раствора;
3) фермент и медиатор иммобилизованы на поверхности электрода;
4) медиатор пришит к поверхности электрода, а фермент находится в растворе.

В данной работе катализатором катодной реакции восстановления кислорода служила лакказа, а катализатором анодной реакции окисления глюкозы - глюкозооксидаза (ГОД). Ферменты использовались в составе композитных материалов, создание которых является одним из наиболее важных этапов создания биотопливных элементов, одновременно выполняющих функцию аналитического датчика. Биокомпозитные материалы в данном случае должны обеспечивать селективность и чувствительность определения субстрата и в тоже время обладать высокой биоэлектрокаталитической активностью, приближающейся к ферментативной.
Лакказа представляет собой Cu-содержащую оксидоредуктазу, основной функцией которой в нативных условиях является окисление органических субстратов (фенолы и их производные) кислородом, который при этом восстанавливается до воды. Молекулярная масса фермента составляет 40000 г/моль.

К настоящему времени показано, что лакказа является наиболее активным электрокатализатором восстановления кислорода. В ее присутствии на электроде в атмосфере кислорода устанавливается потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу, и восстановление кислорода протекает непосредственно до воды.
В качестве катализатора катодной реакции (восстановления кислорода) использовали композитный материал на основе лакказы, ацетиленовой сажи АД-100 и нафиона. Особенностью композита является структура, обеспечивающая ориентацию молекулы фермента по отношению к электронпроводящей матрице, необходимую для прямого переноса электрона. Удельная биоэлектрокаталитическая активность лакказы в композите приближается к наблюдаемой в ферментативном катализе. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакции в случае лакказы, т.е. способ переноса электрона от субстрата через активный центр фермента лакказы на электрод, – прямой биэлектрокатализ.

Глюкозокооксидаза (ГОД) – фермент класса оксидоредуктаз, имеет две субъединицы, каждая из которых имеет свой активный центр – (флавинадениндинуклеотид) ФАД. ГОД является ферментом, селективным по отношению к донору электронов – глюкозе, а в качестве акцепторов электронов может использовать многие субстраты. Молекулярная масса фермента составляет 180000 г/моль.

В работе использовали композитный материал на основе ГОД и ферроцена (Фц) для анодного окисления глюкозы по медиаторному механизму. Композитный материал включает ГОД, высокодисперсный коллоидный графит (ВКГ), Фц и нафион, что позволило получить электронопроводящую матрицу с высокоразвитой поверхностью, обеспечить эффективный транспорт реагентов в зону реакции и стабильные характеристики композитного материала. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакций, т.е. обеспечение эффективного транспорта электронов от активного центра ГОД на электрод – медиаторный, при этом фермент и медиатор были иммобилизованы на поверхности электрода. В качестве медиатора - акцептора электронов – использовали ферроцен. При окислении органического субстрата – глюкозы, ферроцен восстанавливается, а затем окисляется на электроде.

Если кому-то интересно, я могу подробно описать процесс получения покрытия электородов, но за этим лучше пишите в личку. А в топике я просто опишу полученную структуру.

1. АД-100.
2. лакказа.
3. гидрофобная пористая подложка.
4. нафион.

После того, как электорды получены мы перешли непосредственно к экспериментальной части. Вот так выглядела наша рабочая ячейка:

1. электрод сравнения Ag/AgCl;
2. рабочий электрод;
3. вспомогательный электрод - Рt.
В опыте с глюкозооксидазой - продувка аргоном, с лакказой - кислородом.

Восстановление кислорода на саже в отсутствии лакказы происходит при потенциалах ниже нуля и происходит в две стадии: через промежуточное образование перекиси водорода. На рисунке представлена поляризационная кривая электровосстановления кислорода лакказой иммобилизованной на АД-100, полученная в атмосфере кислорода в растворе с рН 4,5. В этих условиях устанавливается стационарный потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу (0,76 В). При потенциалах катоднее 0,76 В на ферментном электрода наблюдается каталитическое восстановление кислорода, которое протекает по механизму прямого биоэлектрокатализа непосредственно до воды. В области потенциалов катоднее 0,55 В на кривой наблюдается плато, которое соответствует предельному кинетическому току восстановления кислорода. Величина предельного тока составила около 630 мкА/см2.

Электрохимическое поведение композитного материала, на основе ГОД нафиона, ферроцена и ВКГ, исследовали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА). Состояние композитного материала в отсутствии глюкозы в фосфатно-буферном растворе контролировали по кривым заряжения. На кривой заряжения при потенциале (–0,40) В наблюдаются максимумы относящиеся редокс-превращениям активного центра ГОД – (ФАД), а при 0,20-0,25 В максимумы окисления и восстановления ферроцена.

Из полученных результатов следует, что на основе катода с лакказой, в качестве катализатора кислородной реакции, и анода на основе глюкозооксидазы для окисления глюкозы, существует принципиальная возможность создания биотопливного элемента. Правда на этом пути есть множество препятствий, например пики активности ферментов наблюдаются при разном pH. Это привело к необходимости добавлять в БТЭ ионообменную мембрану.Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. В анодное отделение поступает воздух.
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и медиатор, приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента - глюкозы. Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы - до 0,1 мМ.

К сожалению довести идею этого БТЭ до практического внедрения мне не удалось, т.к. сразу после 11 класса я пошёл учиться на программиста, чем усердно занимаюсь и сегодня. Спасибо всем, кто осилил.

Преобразуют химическую энергию непосредственно в электричество, минуя предварительные трансформации. Несмотря на очевидные выгоды в производительности, сразу после изобретения элементы не вызвали фурор на рынке ввиду их сложности. Но зелёные технологии развиваются. Исследователи из и компании Vaillant разработали простое устройство, доступное для бытового использования.

«Следует всегда говорить о системе топливных элементов», - рассказывает доктор Маттиас Ян (MatthiasJahn), глава департамента модулей и систем Института Фраунгофера керамических технологий и систем (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems, IKTS) в Дрездене. Одна ячейка производит небольшое напряжение, недостаточное для энергоснабжения объектов. Поэтому, по аналогии с аккумуляторными батареями, несколько топливных элементов объединяют в единую систему. Каждый топливный элемент размером с компакт-диск. « Мы называем группы [ элементов ] стеками», - поясняет доктор Ян.

Топливные элементы преобразуют природный газ непосредственно в электроэнергию. Они намного эффективнее, чем установки с двигателями внутреннего сгорания, которые используют несколько ступеней преобразования. Вначале высвобождающаяся в результате сжигания топлива энергия преобразуется двигателем в механическую, посредством которой вращается вал электрического генератора. В результате цепочки преобразований большая часть энергии теряется.

Совместно с известным производителем нагревательного оборудования Vaillant, Институт Фраунгофера разработал компактную, безопасную и надёжную систему топливных элементов, генерирующую электричество и тепло для частных хозяйств из природного газа. В настоящее время у стройство проходит тестовую практическую эксплуатацию в частных домашних хозяйствах.

Своими размерами домашняя энергетическая установка на топливных элементах, приспособленная для настенной установки, не отличается от обычных нагревательных котлов, однако, производит не только тепло, но и электрическую энергию. Выходная мощность составляет 1 кВт, что достаточно для обеспечения потребностей средней семь и из 4 человек.

В рамках европейского демонстрационного проекта ene.field около 150 таких энергетических блоков установлено в ряде стран ЕС. Кроме этого, в начале 2014 года Valliant начал их мелкосерийное производство.

Т опливные элементы миниатюрной технологически отличаются о тех, которые в основном используются в автомобилях. О сновное эксплуатационное отличие в степени нагрева. Если рабочая температура автомобильных топливных элементов на мембране протонного обмена достигает 80 градусов, то использованная исследователями из Института Фраунгофера технология твёрдых топливных элементов предполагает разогрев до 850 градусов. Однако при этом твёрдые элементы дешевле и проще. В качестве электролита в них используется керамика, которая не содержит драгоценных и редких металлов.

Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства непрерывно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, в то же время уменьшаясь в размерах. Но, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут совсем не семимильными шагами.

Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для питания последних достижений электронной индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей теряется весь смысл мобильности и беспроводности. Так что компьютерная индустрия все активнее и активнее трудится над проблемой альтернативных источников питания . И наиболее перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы .

Основной принцип работы топливных элементов был открыт британским ученым сэром Уильямом Гроувом в 1839-м году. Он известен как отец «топливной ячейки». Уильям Гроув генерировал электричество путем изменения для извлечения водорода и кислорода. Отключив от электролитической ячейки батарею, Грове с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического "холодного" горения водорода стало знаменательным событие в энергетике, и в дальнейшем такие известные электрохимики, как Оствальд и Нернст, сыграли большую роль в развитии теоретических основ и практической реализации топливных элементов и предсказали им большое будущее.

Сам термин "топливный элемент" (Fuel Cell) появился позднее - он был предложен в 1889 году Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию. Но оказалось возможным реакцию окисления, например водорода с кислородом, провести в среде электролита и при наличии электродов получить электрический ток. Например, подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O - такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе, или иначе - в электрохимическом генераторе , получается электрический ток с большой эффективностью и частично тепло. Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей - воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

Развитие топливных элементов энергично продолжалось как за рубежом, так и в России, а далее и в СССР. Среди ученых, сделавших большой вклад в изучение топливных элементов, отметим В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юсти, К. Кордеша. В середине прошлого столетия начался новый штурм проблем топливных элемент. Частично это объясняется появлением новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований.

Одним из ученых, сделавших крупный шаг в развитие топливных элементов, был П. М. Спиридонов. Водород-кислородные элементы Спиридонова давали плотность тока 30 мА/см2, что для того времени считалось большим достижением. В сороковые годы О. Давтян создал установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого газификацией углей. С каждого кубометра объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности.

Это был первый топливный элемент на твердом электролите . Он имел высокий КПД, но со временем электролит приходил в негодность, и его нужно было менять. Впоследствии Давтян в конце пятидесятых годов создал мощную установку, приводящую в движение трактор. В те же годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым - такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими.

В последующие годы время одиночек прошло. Топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. С середины 60-ых миллионы долларов вкладывались в исследования топливных элементов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытан в США на космическом корабле "Джемини-5", а в дальнейшем - на кораблях "Аполлон" для полетов на Луну и по программе "Шатл".

В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО "Квант", тоже для использования в космосе. В те годы уже появились новые материалы - твердополимерные электролиты на основе ионообменных мембран , новые типы катализаторов, электродов. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2, а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Существовало много проблем, связанных с долговечностью, стабильностью, безопасностью.

Следующий этап бурного развития топливных элементов начался в 90-е гг. прошлого столетия и продолжается и сейчас. Он вызван потребностью в новых эффективных источниках энергии в связи, с одной стороны, с глобальной экологической проблемой усиливающегося выброса парниковых газов при сгорании органического топлива и, с другой стороны, с исчерпанием запасов такого топлива. Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Основная проблема заключается только в нахождении эффективного и недорогого способа получения водорода.

Миллиардные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву и сделают реальностью их использование в повседневной жизни: в элементах для сотовых телефонов, в автомобилях, на электростанциях. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" демонстрируют легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт . Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

В топливном элементе в отличии от батареек и аккумуляторов - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество . При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы.

В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора . А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:

2H2 + O2 → 2H2O + электричество + тепло.

В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (см. рисунок 1). Работает он следующим образом: попадающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).

Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.

Рис.1. Принцип действия топливного элемента

Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или , а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу (рисунок 2).

Рис.2. Принцип действия топливного элемента на метаноле

Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.

Рис. 3. Метанольный топливный элемент

Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов. Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива.

1. Твердополимерные водород-кислородные электролитные.

2. Твердополимерные метанольные топливные элементы.

3. Элементы на щелочном электролите.

4. Фосфорно-кислотные топливные элементы.

5. Топливные элементы на расплавленных карбонатах.

6. Твердооксидные топливные элементы.

В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь.

Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров. Поскольку проводимость этих мембран (твердых электролитов) достигает приемлемого значения (10 Ом/см) только при наличии воды, то газы, подаваемые в топливный элемент, надо дополнительно увлажнять в специальном устройстве, что тоже вызывает удорожание системы. В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Хотя содержание платины в топливных элементах составляет несколько мг/см2, для больших батарей ее количество достигает десятков граммов.

При конструировании топливных элементов большое внимание уделяют системе теплоотвода, так как при высоких плотностях тока (до 1А/см2) происходит саморазогрев системы. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.

Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др. Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в 2004-2005 годах составляла 2-3 тыс. $/кВт. Согласно оценке экспертов, топливные элементы станут доступными для применения на транспорте и в стационарных энергоустановках при цене 50-100 $/кВт.

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива.

По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов. Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu. В 2004-м году она тоже представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.

Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов.

Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в 2004-м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука. Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения.

Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в 2003-м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.

Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука примерно в течение 7 часов. Затем картридж можно заменить и можно работать дальше. Размер картриджа с метанолом 99x63x27 мм, а весит он 150г. Сама система весит 1,1 кг, так что совсем уж портативной ее не назовешь, но все же это вполне законченное и удобное устройство. Также компания разрабатывает топливный модуль для питания профессиональных видеокамер.

В общем, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Во-первых, необходимо решить вопрос с миниатюризацией топливных элементов. Ведь чем меньше топливный элемент, тем меньшую мощность он сможет выдавать - так что постоянно разрабатываются новые катализаторы и электроды, позволяющие при малых размерах максимально увеличить рабочую поверхность. Тут как раз очень кстати приходятся последние разработки в области нанотехнологий и наноматериалов (например, нанотрубки). Опять же, для миниатюризации обвязки элементов (топливных и водяных насосов, систем охлаждения и преобразования топлива) все шире начинают применяться достижения микроэлектромеханики.

Вторая важная проблема, требующая решения - это цена. Ведь в качестве катализатора в большинстве топливных элементов применяется очень дорогая платина. Опять же, некоторые из производителей пытаются по максимуму использовать уже хорошо отработанные кремниевые технологии.

Что касается других областей использования топливных элементов, то топливные элементы там уже достаточно прочно обосновались, хотя пока и не стали мэйнстримом ни в энергетике, ни на транспорте. Уже очень многие производители автомобилей представили свои концепт-кары с питанием от топливных элементов. В нескольких городах мира колесят автобусы на топливных элементах. Канадская Ballard Power Systems выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.