2 Водород – топливо для электромобилей

Достоинства и недостатки электромобилей.

К началу XXI века заметно обозначился интерес к электромобилям, работающим на электроэнергии от аккумуляторных батарей. Доступность электромобильного транспорта обеспечивается прежде всего развитием технологий хранения энергии, которые позволили бы увеличить срок работы батарей между подзарядками и сократить время самой подзарядки - увеличить срок жизни аккумуляторов и снизить их стоимость.

Пока источником энергии в электромобиле служат в основном свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Это наименее дорогой из всех типов батарей. Однако пробег электромобиля, работающего на подобных батареях без подзарядки, составляет не более 150 км, и менять аккумуляторы приходится минимум раз в три года. Существуют и более передовые технологии хранения энергии, позволяюнще увеличить срок работы батарей. Но они пока слишком дороги. В целом, как и прежде, цена электромобилей значительно превышает цену бензинового аналога.

Понятие о топливных элементах

во всем мире ведутся интенсивные исследования по созданию и коммерциализации энергоустановок на основе топливных элементов (ТЭ) - электрохимических генераторов (ЭХГ). Это обусловлено, прежде всего, очевидными преимуществами ЭХГ перед традиционными источниками электроэнергии. Важнейшими из них являются: высокий КПД превращения химической энергии топлива в электроэнергию; низкий уровень вредных выбросов; бесшумность в работе; модульность конструкции, что позволяет легко и быстро строить ЭХГ разной мощности в рамках одной и той же технологии.

Принципиально, топливный элемент представляет электрохимическую ячейку, в котором два электрода из пористого углерода с нанесённым катализатором разделены полимерной мембраной.

Схема топливного элемента приведена на рисунке 8.

1 - электроды; 2 — катализатор; 3 - мембрана

Рисунок 8 - Схема ячейки топливного элемента

К аноду топливного элемента подводится водород, а к катоду — кислород воздуха. Роль электролита между ними играет мембрана РЕМ, обеспечивающая переход протонов. Мембрана изготовлена из полимера, покрытого тонким слоем благородного металла. Подача газов осуществляется под давлением в 1,5—2,7 атм.

Подаваемый под давлением водород взаимодействует на катоде с ионами гидроксида с образованием воды и выделением свободных электронов. На аноде кислород из воздуха взаимодействует с ионами водорода и поступающими от катода в виде тока электронами. При таком электро-химическом процессе выделяется тепло и образуются вода и электрический ток.

Реакция электрохимического окисления Нг в ТЭ для получения элек-троэнергии происходит следующим образом:

2Н2 + 02 = 2Н20-4е.

Несмотря на кажущуюся простоту, электрохимические процессы и явления электропереноса в ТЭ чрезвычайно сложны. Средний КПД водородно-воздушных ЭХГ (ТЭ) находится на уровне 75%. Средняя стоимость ТЭ составляет 250 дол. /кВт мощности.

Мощность и массогабаритные показатели ТЭ зависят от скорости генерации электрического тока, увеличение которого в свою очередь достигается путём повышения температуры и давления подаваемого топлива, а также с помощью применения соответствующих катализаторов для электродов.

История их создания

Впервые превращение химической энергии в электрическую при реакции водорода с кислородом наблюдалсь ещё в 1839 г. Гровом и Шонбайном. Практическая реализация процесса была осуществлена сравнительно недавно при создании космической техники. Чтобы можно было приступить к разработке автомобилей с топливными элементами, пришлось преодолевать самые разные технические проблемы, ряд которых ещё не доведен до промышленно-приемлемого решения. В первых конструкциях использовался водород в баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанном в метиловом спирте (метаноле). В 2002 г. продемонстрированы первые варианты машин, в которых водород генерируется из бензина.

В настоящее время разработка и внедрение эффективных ТЭ испытывают подлинный расцвет, связанный с реальным использованием их для электромобилей. Во многих странах именно с прогрессом в области создании топливных элементов, хотя они все еще остаются достаточно дорогими устройствами, связано совершенствование систем энергоснабжения (электро- и теплоснабжения) различных объектов — от сотовых телефонов и автомобилей до жилых домов и целых городов. Есть все основания полагать, что развитие энергетики на базе топливных элементов будет одним из главных приоритетов мировой экономики в XXI веке.

Один из первых в мире водородных автомобилей на топливных эле-ментах был создан в российском НПО "Квант". РКК "Энергия" создала ге-нератор на низкотемпературных В России уже созданы автомобили «Лада» и «ГАЗ», работающие на водородных топливных элементах. щелочных топливных элементах для де-централизованного энергообеспечения

Виды топливных элементов

В настоящее время принято несколько способов классификации топливных элементов: по типу электролита, типу топлива и окислителя и по температуре эксплуатации (которая во многом определяется типом электролита и топлива)

По типу окислителя топливные элементы условно разделяют на кислородные и воздушные (в последнем случае в качестве окислителя используют кислород воздуха).

По типу топлива выделяют водородные, метанольные и топливные элементы на природном газе , хотя последние с “химической” точки зрения следует отнести к “водородным”, т.к. природный газ предварительно подвергается конверсии.

По температуре эксплуатации их условно делят на низкотемпературные (до 100-150 С), среднетемпературные (около 200-400 С) и высокотемпературные (более 500 С).

В настоящее время наибольший интерес для энергетики представляют водородно-кислородные (воздушные) топливные элементы с различными типами электролитов, что обусловлено их высокой экологической чистой (единственным продуктом “сгорания” водорода является вода ) и высокой энергоемкостью водорода по сравнению с другими видами топлива.

Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения. Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора. Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.Водород считается основным источником топлива для ТЭ, однако процесс преобразования топлива позволяет извлекать водород и из других его видов, включая метанол, природный газ, нефть и др.

Типы топливных элементов

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТЭПМ);

Обратимый топливный элемент(ОТЭ);

Прямой метанольный топливный элемент(ПМТЭ);

Расплавной карбонатный топливный элемент(РКТЭ);

Фосфорнокислый топливный элемент(ФКТЭ);

Щелочной топливный элемент (ЩТЭ).

Принцип действия двигателя на топливных элементах

К аноду топливного элемента подводится водород, а к катоду — кислород воздуха. Роль электролита между ними играет мембрана РЕМ, обеспечивающая переход протонов. Мембрана изготовлена из полимера, покрытого тонким слоем благородного металла. Подача газов осуществля­ется под давлением в 1,5—2,7 атм.

Подаваемый под давлением водород взаимодействует на катоде с ионами гидроксида с образованием воды и выделением свободных элек­тронов. На аноде кислород из воздуха взаимодействует с ионами водорода и поступающими от катода в виде тока электронами. При таком электро­химическом процессе выделяется тепло и образуются вода и электриче­ский ток.

Реакция электрохимического окисления Нг в ТЭ для получения элек­троэнергии происходит следующим образом:

2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0-4е.

Несмотря на кажущуюся простоту, электрохимические процессы и явления электропереноса в ТЭ чрезвычайно сложны. Средний КПД водородновоздушных ЭХГ (ТЭ) находится на уровне 75%. Средняя стоимость ТЭ составляет 250 дол. /кВт мощности.

Мощность и массогабаритные показатели ТЭ зависят от скорости ге­нерации электрического тока, увеличение которого в свою очередь дости­гается путём повышения температуры и давления подаваемого топлива, а также с помощью применения соответствующих катализаторов для электродов. Чтобы создать топливные элементы, необходимые для развития во­дородной энергетики, требуется большое количество палладия и металлов платиновой группы.

Использование в качестве источника водорода бензина, метанола, ДМЭ

Качественный скачок в энергетике транспорта и переводе в ближай­шее время всего среднего и тяжёлого транспорта на электрическую тягу с собственным автономным химическим источником питания, безвредным для окружающей среды, даёт возможность совершить ДМЭ

Водород, необходимый в качестве топлива, «добывается» путём не­которых изменений технологических параметров при паровом риформинге (при избытке Н₂0) ДМЭ, в результате которого удаётся добиться расщеп­ления трех молекул Н₂0 в расчёте на 1-у молекулу СН3ОСН3.

Указанная химическая каталитическая реакция происходит следующим образом:

СН₃ОСН₃ + 3 Н₂0 = 2С0₂ + 6Н₂ + 252 кДж/Моль СН₃ОСН₃.

Образующийся СОг является «балластом» реакции, который в дальнейшем не влияет на ход электроокисления Н₂ в ТЭ, не отравляет катализатор («разбить» молекулу С0₂ на составляющие её атомы С и О можно только путём очень высоких затрат энергии в высокотемпературном (3000 °С ) плазменном процессе, но энтальпия при образовании 2С0₂ полезно ис­пользуется для расщепления ЗН₂0.

Таким образом, замысел учёных и инженеров, чтобы на технически и экономически целесообразном уровне производить Н₂ на борту и расходо­вать его немедленно в движении транспортного средства реализован и осу­ществлён. Дело теперь заключается в широких масштабах применения достижений научно-технического прогресса.

Нейтрализация оксида углерода.

Нейтрализация оксида , углерода, который, является не только токсичным соединением, но и ядом для топливного элемента, осу­ществляется в. блоке газовой очистки путем селективного его окисления. Поскольку в газовой смеси при высокой концентрации водорода концен­трация СО весьма мала (до 0,5% об.}, используемые для очистки водорода в этом процессе катализаторы должны обладать очень высокой селектив­ностью. Разработка высокоэффективных катализаторов очистки водорода от СО - это важнейшая технологическая задача в создании экологически чистого автомобиля, работающего на топливных элементах.

Нанесенные Аи- и - Pt-содержащие каталитические системы с малым количеством благородного металла рассматриваются как наиболее пер­спективные для реакции селективного окисления СО. В настоящее время все больше внимания уделяется катализаторам, содержащим в своем со­ставе золото. Такие системы проявляют активность во многих реакциях: селективного окисления углеводородов, восстановления оксидов азота, в синтезе метанола из СО и С0₂.

Твердотельные топливные элементы (ТОТЭ).

Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах -- 700--1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов, на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения -- крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.

В этих топливных элементах ионыкислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане,бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов.

Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр и Прейс экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Рыночный сегмент таких элементов -- стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.

Достоинства и недостатки ТОТЭ.

Достоинства

Имеют самую высокую рабочую температуру. Рабочая температура может варьировать от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки.

Твёрдый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке.

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%.

Высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления.

Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

При высоких рабочих температурах не нужен преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет ТЭУ работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п.

Топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

Недостатки

Так как твёрдооксидные топливные элементы Из-за работы ТОТЭ при очень высоких температурах (600°C–1000°C), требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии.