Топливные элементы

Топливные элементы - это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет энергии окислительно-восстановительной химической реакции жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне, т.е. являются химическими источниками тока непрерывного действия [43].

На электродах топливного элемента протекают электрохимические реакции - на отрицательном с участием восстановителя (топлива), на положительном с участием окислителя (кислорода или чаще кислорода воздуха).

При использовании топливных элементов на автомобильном транспорте (FCV-fuel cell vechicle - двигатель с топливной ячейкой) в качестве топлива наиболее часто используется водород. Возможно также использование других видов водородсодержащего топлива (природный газ, метанол, бензин и т.п.), но в этом случае необходим реформер - устройство для получения водорода из этих видов топлива непосредственно на борту транспортного средства, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию двигателя. Оба варианта имеют положитель­ные и отрицательные стороны - в случае использования водорода необходимо решить проблемы заправки и хранения водорода на борту автомобиля, рассмотренные в предыдущем разделе; установка реформера для получения водорода из других видов топлива значительно усложняет конструкцию топливного элемента и увеличивает его стоимость примерно на 30%. Большинство из существующих автомобилей на топливных элементах заправляются водородом и около 30% - метанол ом [44].

Кроме электродов, необходимой частью топливного элемента является электролит, в качестве которого до последнего времени наиболее часто использовалась фосфорная кислота, а в последние два года подавляющая часть разработок топливных элементов направлена на создание ионообменных мембран (Proton Exchange Membranes - РЕМ).

Работа водородного-кислородного топливного элемента основана на превращении энергии химической реакции водорода с кислородом в электричество. Побочными продуктами этой реакции являются тепло и вода.

Принцип работы топливного элемента на основе РЕМ показан на рис. 11.

Рис. 11. Схема работы топливного элемента на основе РЕМ

Водород из топливного бака подается на «анод» топливного элемента. Кислород поступает на «катод». В присутствии катализатора (платина) атомы водорода расщепляются на протоны и электроны, которые различными путями попадают на «катод». Ионообменная мембрана пропускает протоны, заставляя электроны проходить через электрический контур и соединяться с протонами на катоде. Возникший в цепи электрический ток используется для привода электродвигателя автомобиля до того, как образующийся на катоде атом водорода объединится с кислородом в молекулу воды. Каждый топливный элемент вырабатывает электрический ток напряжением около 0.6 В. Сблокированные 200-700 топливных элементов обеспечивают требуемую мощность, которая для автомобиля составляет 50-75 кВт [28].

Автомобиль с топливными элементами, работающими на водороде, стерильно чист - вместо выхлопных газов он выбрасывает чистую воду. В этом убедился мэр Сиднея, когда он, приветствуя участников пробега таких автомобилей, выпил стакан «выхлопной жидкости» и остался жив [47].

В последние десять лет было изготовлено более 300 концептуальных автомобилей, работающих на топливных элементах, а с 2015 года начнется серийное производство автомобилей, работающих на водородном топливе.

Высокая стоимость топливных элементов в настоящее время является основной причиной, сдерживающей развитие рынка. Удельная стоимость двигателя, работающего на топливных элементах, равна 500-700 долл. на 1 кВт мощности по сравнению с 20 долл. для обычного двигателя внутреннего сгорания.

Фирма «Mitsubishi Motors» разработала электромобиль на топливных элементах. При его создании использовался опыт Daimler Chrysler. Источником энергии служит водород, который хранится в расположен­ных под полом багажника баллонах высокого давления. Потребляя водород, топливные элементы фирмы «Ballard» вырабатывают электричество, которым запитывается тяговый электромотор мощностью 65 кВт. Он разгоняет двухтонную машину до 140 км/ч, а запас хода составляет 150 км [45].

На риє. 12 представлен прогноз роста производства автомобилей на топливных элементах [44].

Рис. 12. Рост производства автомобилей на топливных элементах

Компания «Daimler Chryslen> провела в июне 2002 г. испытания автомобиля пятого поколения NECAR 5 на топливных элементах, который совершил 3000-мильный пробег по пересеченной местности, в высокогорных условиях при 32 °С. Автомобиль приводит в движение силовая установка Ballard на топливных элементах, включая установку реформинга метанола с получением водорода. Во время пробега автомобиль заправлялся метанолом через каждые 300 миль; расход метанола в 16-дневном пробеге составил 1 галлон (3,785 л) на 40 миль при скорости 90 миль/ч.[48].

В 2002 г. компания «Ford» разработала автомобиль «Focus FCV», на котором установлена батарея топливных элементов «Mark 902». Батарея вырабатывает по­стоянный ток напряжением 385 В, который преобразуется в переменный трехфазный ток 315 В. Автомобиль может работать как от топливных элементов, так и от резервной (буферной) батареи высокого напряжения. Бак для хранения водорода рассчитан на давление 34,5 M Па. Запас хода автомобиля на одной заправке составляет 320 км. Мощность электродвигателя (85 кВт) по­зволяет автомобилю развивать скорость до 128 км/ч. Трансатлантический концерн General Motors (GM) большое внимание уделяет повышению надежности и долговечности автомобилей с топливными элементами. Срок службы силового агрегата, имеющего ресурс 240 000 км, составляет 5500 час - цифра, на которую нацелена компания при проектировании батарей топливных элементов. Сейчас ресурс топливных элементов концерн GM составляет порядка 120 000 км (2750 ч).

Себестоимость автомобиля, оборудованного водо­родным двигателем, почти в 10 раз выше себестоимости автомобиля с классическим двигателем внутреннего сгорания. По прогнозам аналитиков к 2015 г. цена автомобилей с водородными топливными элементами сравняется с параметрами бензиновых машин.

Скорее всего широкое распространение автомобили на водородном топливе получат в период 2020-2050 гг. Полная замена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на автомобили с топливными элементами, воз­можно, произойдет не ранее конца нашего столетия [46].

Водородные топливные элементы представляют собой революционную технологию, для которой необходимы совершенно новая система транспортировки топлива и инфраструктура его распределения.

Приход к реальному использованию водорода как моторного топлива начинается в наши дни. Одним из первых преимущество водорода над традиционными то-пливами публично оценил президент США Джорж Буш-младший, который выдвинул программы «Автомобиль свободы» и «Топливо свободы». На создание транспортных средств с водородными топливными элементами администрация США выделила 1,7 млрд долл. и на разработку технологии производства водорода из угля -1,2 млрд долл. Водородный автомобиль должен сделать Америку страной, не зависимой от импорта нефти. Министерство энергетики США планирует в 2004-2008 гг. провести испытания 500 FCV.

Политику США в этой области поддерживает и президент Еврокомисии Романо Проди: «Водородная технология и топливные элементы - стратегический выбор Европы. В течение 20-30 лет они в корне изменят характер экономического развития», - утверждает он. В Европе на научные исследования и разработки в области водородной энергетики планируется выделить 5 млрд долл.

В рамках программы ЕС в девяти европейских городах будут курсировать 27 автобусов с водородными двигатеями, наглядно демонстрируя возможность создания высокотехнологичной, энергоэффективной и экологически чистой системы городского общественного транспорта. В аэропорту Мюнхена открыта первая водородная АЗС.

Лидером по производству водородных автомобилей стремится стать и Япония. Правительство страны до 2020 г. выделило 4 млрд долл. на приобретение водородных энергетических технологий. Японские автоконцерны Honda и Toyota уже начали сдавать в долгосрочную аренду автомобили на водородных топливных элеменах, при этом Toyota приступила к серийному выпуску автомобилей с гибридными двигателями, использующими бензин и водород.

Интерес к водородной энергетике проявляют также Канада, Китай, Австралия и Индия.

В России на базе автомобиля «Нива» были созданы автомобили на топливных элементах семейства «АНТЭЛ», основные технические характеристики которых приведены в табл. 30 [49]. Изготовление и испытания АНТЭЛ-3 намечены на 2004 г.

Топливные элементы широко исследуются не только в качестве двигателей для автомобилей, но и для других целей - как независимые источники электро- и теплоснабжения, как источники питания для компьютеров вне стационарных условий электроснабжения и т.п. В мире в настоящее время эксплуатируются 3800 систем. оснащенных топливными элементами, что на 58% больше по сравнению с 2001 г. [50].

О том, что системы с топливными элементами значительно более экологически чисты, свидетельствуют следующие данные. Стационарная силовая установка мощностью 200 кВт, предназначенная для выработки тепла и электроэнергии при работе топливных элементов на природном газе, характеризовалась следующими значениями выбросов: NO_X - 1 ppm вместо 35, СО -менее 4 ppm вместо 2000, [СН] - менее 1 ppm вместо 250 по сравнению с работой такой же установки на природном газе без использования топливных элементов.