Топливные элементы: год надежд
Преимущества топливных элементов
Типы химических топливных элементов
В течение двух ближайших лет на рынке мобильных компьютеров и портативных электронных устройств ожидается появление большого количества серийно выпускаемых моделей, оснащенных источниками питания на базе химических топливных элементов.
Экскурс в историю
ервые
эксперименты по созданию топливных элементов были проведены еще в XIX столетии.
В 1839 году английский физик Гроув при проведении электролиза воды обнаружил,
что после отключения внешнего источника тока между электродами возникает постоянный
ток. Однако открытия в этой области, сделанные рядом выдающихся ученых XIX века,
не нашли практического применения, став достоянием лишь академической науки.
К созданию топливных элементов для прикладного использования ученые вернулись лишь в начале 50-х годов XX века. В этот период возможности практического применения химических реакторов для получения электроэнергии начали активно изучать коллективы исследователей в США, Японии, СССР и ряде западноевропейских стран.
Первой областью практического применения топливных элементов стала космонавтика. Топливные элементы различных конструкций использовались на американских космических кораблях Gemini, Apollo и Shuttle, а также на созданном в СССР многоразовом космическом челноке «Буран».
Стационарная энергоустановка на базе химического топливного элемента
Следующая волна интереса к химическим топливным элементам была вызвана энергетическим кризисом 70-х годов. В тот период многие компании занялись исследованиями в области использования альтернативных источников энергии для транспорта, а также для бытового и промышленного применения. Кстати, именно на этом поприще начинала свою деятельность ныне известная компания АРС.
В настоящее время можно выделить четыре основные сферы применения энергоустановок на базе топливных элементов: энергоустановки для различных транспортных средств (от скутеров до автобусов), стационарные решения крупного и мелкого масштаба, а также источники питания для мобильных устройств. В этой статье мы рассмотрим главным образом решения для портативных устройств.
 |
|
Что такое топливные элементы
режде
всего необходимо уточнить, о чем пойдет речь. Топливные элементы представляют
собой специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования
энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую
энергию.
Следует отметить, что топливные элементы имеют по крайней мере два принципиальных отличия от гальванических батарей, также относящихся к устройствам, преобразующим энергию протекающих в них химический реакций в электричество. Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально (как это происходит в случае обычных батареек).
Один из прототипов топливного элемента для портативных устройств
Применение нерасходуемых электродов позволяет значительно увеличить срок службы топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Кроме того, благодаря использованию внешней системы подачи топлива значительно упрощается и удешевляется процедура восстановления работоспособности топливных элементов.
Типы химических топливных элементовТопливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM)Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini. Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция: 2H2 -> 4H+ + 4e. Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны — через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды: O2 + 4H+ + 4e -> 2H2O. Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов. Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею. PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт. Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород. Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC)Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. В качестве топлива применяется чистый водород, а качестве окислителя — чистый кислород. Реакция окисления водорода протекает через электроокисление водорода на аноде: 2H2 + 4OH– — 4e -> 4H2O и электровосстановление кислорода на катоде: O2 + 2H2O + 4e -> 4OH–. Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны — по внешней цепи от анода к катоду. Щелочные элементы работают при температуре около 80 °С, однако значительно (примерно на порядок) уступают PEM-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных элементов значительно ниже, чем PEM. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи. Фосфорнокислые топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)В качестве электролита в фосфорнокислых элементах используется жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Для изготовления электродов применяется графит. Происходящие в фосфорнокислых элемента реакции электроокисления водорода аналогичны тем, которые протекают в PEM-элементах. Рабочая температура фосфорнокислых элементов несколько выше по сравнению с PEM- и щелочными и колеблется в пределах от 150 до 200 °С. Тем не менее для обеспечения необходимой скорости электрохимических реакций необходимо использовать катализаторы (платину либо сплавы на ее основе). Благодаря более высокой рабочей температуре фосфорнокислые элементы менее чувствительны к химической чистоте топлива (водорода), чем PEM- и щелочные элементы. Это позволяет применять топливную смесь, содержащую 1-2% оксида углерода. В качестве окислителя можно использовать обычный воздух, поскольку содержащиеся в нем вещества не вступают в реакцию с электролитом. Фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (порядка 40%) и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Однако PAFC имеют и целый ряд преимуществ, в том числе более простую конструкцию, а также высокую стабильность и низкую летучесть электролита. В настоящее время на базе фосфорнокислых элементов создано и запущено в коммерческую эксплуатацию большое количество энергоустановок мощностью от 200 кВт до 20 МВт. Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)Элементы с прямым окислением метанола являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. Топливом для DMFC-элементов служит водный раствор метилового спирта (метанола). Необходимый для реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления раствора метанола на аноде: CH3OH + H2O -> CO2 + 6H+ + 6e. На катоде происходит реакция окисления водорода с образованием воды: 3/2O2 + 6H+ + 6e -> 3H2O. Рабочая температуры DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, что немного выше по сравнению с водородными PEM-элементами. Недостатком низкотемпературного преобразования является более высокая потребность в катализаторах. Это неизбежно приводит увеличению стоимости таких топливных элементов, однако данный недостаток компенсируется удобством использования жидкого топлива и отсутствием необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода. Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (Li2CO3) либо карбоната натрия (Na2CO3), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода — литированный оксид никеля (NiO + LiO2). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом: CO32– + H2 -> H2O + CO2 + 2e. Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция: CO2 + 1/2 O2 + 2e -> CO32–. Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода: CH4 + H2O <-> CO + 3H2. MCFC-элементы обладают высоким КПД (до 60%) и позволяют использовать в качестве катализатора не платину, а более дешевый и доступный никель. Вследствие большого количества выделяемого при работе тепла данный вид топливных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако малопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В настоящее время на базе MCFC-элементов уже созданы стационарные энергоустановки мощностью до 2 МВт. Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный MCFC. В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO2), стабилизированного оксидом иттрия (Y2O3). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода: O2 + 4e -> 2O2–. Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа: H2 + 2O2– -> H2O + 2e; CO + 2O2– -> CO2 + 2e. Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и MCFC, включая возможность использования в качестве топлива природного газа. Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC.
|
||
Работа химических топливных элементов поддерживается путем подачи двух применяемых для поддержания реакции компонентов — топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород, а некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом.
Конструкция любого химического топливного элемента состоит из двух электродов (катода и анода) и находящегося между ними слоя электролита — среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах часто используют катализаторы. В зависимости от химических и физических особенностей применяемого электролита топливные элементы подразделяются на несколько различных типов (подробнее см. во врезке «Типы химических топливных элементов»).
|
|
Преимущества топливных элементов
о
сравнению с широко распространенными в настоящее время источниками автономного
электропитания, используемыми в мобильных ПК и портативных устройствах, химические
топливные элементы имеют ряд важных преимуществ.
В первую очередь стоит отметить высокий коэффициент полезного действия топливных элементов, составляющий, в зависимости от типа, от 40 до 60%. Высокий кпд позволяет изготавливать источники питания с более высокой удельной энергоемкостью, благодаря чему достигается уменьшение их массогабаритных показателей при сохранении мощности и времени автономной работы. Кроме того, более энергоемкие источники питания позволяют значительно продлить время автономной работы существующих устройств, не увеличивая их размеры и вес.
Другим важным достоинством химических топливных элементов является возможность практически мгновенного возобновления их энергоресурса даже при отсутствии внешних источников электропитания — для этого достаточно установить новую емкость (картридж) с используемым топливом. Применение не расходуемых в процессе реакции электродов позволяет создавать топливные элементы с очень большим сроком службы и малой совокупной стоимостью владения.
Структурная схема химического топливного элемента
Нельзя не отметить и значительно более высокую экологическую чистоту химических топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Расходным материалом для топливных элементов служат лишь емкости с топливом, а основным продуктом реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.
|
|
Платиновая проблема
есмотря
на очевидные преимущества химических топливных элементов перед многими ныне
распространенными источниками электропитания портативных ПК и электронных устройств,
на пути массового внедрения новой технологии имеются определенные препятствия.
Наиболее подходящими для применения в портативных устройствах относительно небольшого размера являются топливные элементы с низкой рабочей температурой — такие как PEM и DMCF. Однако для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в таких элементах необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах применяются катализаторы из платины и ее сплавов. Учитывая относительно небольшие природные запасы этого вещества, а также его высокую стоимость, одной из главных задач разработчиков источников питания на базе топливных элементов является поиск и создание новых катализаторов. Другим возможным решением проблемы является использование высокотемпературных топливных элементов, однако по целому ряду причин в настоящее время подобные источники питания практически непригодны для эксплуатации в портативных устройствах.
|
|
Движение вперед: прототипы
есмотря
на наличие ряда проблем, в течение двух последних лет активность коллективов
разработчиков, занимающихся созданием топливных элементов для портативных ПК
и электронных устройств, заметно возросла. Кроме того, увеличилось и количество
компаний, ведущих подобные работы.
Если говорить об используемых технологиях, то наиболее популярными решения в рассматриваемом сегменте являются топливные элементы PEM и DMFC. Из компаний, занимающихся разработкой топливных элементов для мобильных устройств, около 45% сделали ставку на технологию PEM, примерно 40% — на DMFC и менее 10% — на SOFC. Удобство и простота использования жидкого топлива является значительным преимуществом DMFC перед PEM, и в прошедшем году стало очевидно, что большинство стоящих на пороге коммерциализации проектов базируется именно на технологии DMFC.
Прототип КПК с интегрированным топливным элементом, созданный разработчиками Hitachi
В начале прошлого года компания Hitachi продемонстрировала прототип КПК с интегрированным топливным элементом и заявила о своем намерении начать продажи пробной партии подобных устройств в 2005 году. Для перезаправки топливного элемента используется картридж цилиндрической формы (диаметром 1 см и высотой 5 см), содержащий 20-процентный водный раствор метанола. По словам разработчиков, содержащегося в картридже топлива достаточно для того, чтобы обеспечить активную работу с КПК в течение 6-8 часов.
В июне минувшего года компания Toshiba представила прототип компактного DMFC-элемента, предназначенного для использования в качестве источника питания цифровых медиаплееров и мобильных телефонов. Габариты этого блока — 22Ѕ56Ѕ4,5 мм, вес — 8,5 г. В качестве топлива в нем применяется концентрированный метанол (99,5%). Одной заправки топлива (2 см3) достаточно для обеспечения питанием нагрузки мощностью 100 мВт (например, портативного МР3-плеера) в течение 20 часов. При разработке данного прототипа было применено несколько новых решений, в частности была оптимизирована структура электродов и полимерной мембраны, позволяющая использовать в качестве топлива концентрированный метанол.
Известно, что один из производителей мобильных телефонов — компания KDDI — внимательно присматривается к разработкам Toshiba и Hitachi в области малогабаритных топливных элементов. KDDI планирует выпустить на рынок мобильные телефоны с питанием от топливных элементов в течение ближайших двух лет.
Прототип ноутбука с топливным элементом (Casio)
Некоторые компании уже продемонстрировали прототипы решений для портативных ПК. В частности, Casio представила прототип ноутбука, оснащенный источником питания, который содержит PEM-элемент и конвертор метанола. В начале минувшего года компания Samsung представила прототип ноутбука на мобильной платформе Centrino, оснащенный топливным элементом, обеспечивающим работу устройства в течение 10 часов.
В ноябре 2004 года сотрудники токийского института исследований в области материалов и энергетики (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) обнародовали информацию о работах по созданию топливного элемента собственной конструкции, который будет более дешевым и компактным по сравнению с DMFC. В качестве топлива в нем будет использоваться борогидрид натрия. По мнению разработчиков, благодаря этому время работы топливного элемента увеличится в четыре раза по сравнению с заправленным таким же объемом метанола DMFC-элементом.
Прототип ноутбука Samsung, оснащенного топливным элементом
Представленный сотрудниками MERIT прототип топливного элемента выполнен в корпусе размером 80Ѕ84,6Ѕ3 мм и способен работать с нагрузкой мощностью до 20 Вт. Для питания более мощных устройств можно использовать батареи, состоящие из нескольких элементов. Согласно существующим планам развертывание серийного производства подобных элементов намечено на начало 2006 года.
|
|
Лед тронулся…
середине декабря компания Intermec Technologies начала продажи портативного
прибора для считывания информации с радиочастотных индентификаторов — первого
серийно выпускаемого устройства, оснащенного малогабаритным DMFC-элементом.
Используемый в устройстве топливный элемент Mobion разработан компанией MTI
MicroFuel Cells, которая планирует наладить выпуск подобных источников питания
для КПК, смартфонов и других портативных устройств. Как отмечают разработчики
MTI MicroFuel Cells, элемент Mobion позволяет в несколько раз увеличить время
работы устройств без подзарядки по сравнению с литий-ионными аккумуляторами
такого же размера.
По мнению многих экспертов, в наступившем году следует ожидать появления целого ряда серийно выпускаемых портативных устройств, оснащенных топливными элементами. И от того, насколько успешным окажется их дебют, во многом будет зависеть будущее рынка источников питания портативных устройств.
