Топливные элементы

Топливный элемент — это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В ре- зультате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топлив- ный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива — водород, который соединялся с кислородом в среде окис- лителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах. В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим си- стемам для преобразования энергии (включая газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внут- реннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением вы-

деляющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энер- гию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энер- гией сгорающего топлива) в механическую выше 50 %. Топливный элемент не имеет дви- жущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50 %, КПД и особенно эффектив- ны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных ус- ловиях движения. Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряже- ния, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топ- ливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для примене- ния их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей. Щелочной топливный элемент — это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водоро- да и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, ско- рее всего, не найдет широкого применения на автомобилях. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стацио- нарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффек- тивными для использования в автомобилях. Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генера- торов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или насе- ленные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с дру- гой стороны, имеется преимущество — пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы. Одна из наиболее многообещающих систем — протонно-обменный мембранный топливный элемент — ПОМТЭ (PEMFC — Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.

В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водо- рода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топлив- ных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящи- еся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положи- тельный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как по- бочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента — водяной пар (рис. 8.9).

Электричество, произведенное топливны- ми элементами, может использоваться в элек- трической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асин- хронного двигателя переменного тока) для по- лучения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразова- теля электроэнергии заключается в преобра- зовании постоянного электрического тока, произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяго- вый электродвигатель транспортного средства. Протонно-обменная мембрана топлив- ного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента (рис. 8.10). Сначала рассмотрим, как устроен топ- ливный элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячей- ки (рис. 8.11), проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем элек- трическом контуре (цепи). Для этого в нем гра- вируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализа- тора. Катод (положительный полюс топлив- ной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверх- ности катализатора. Он также проводит элек- троны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с обра- зованием воды. Электролит — протонно- обменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но облада- ющий способностью пропускать положитель- но заряженные ионы и блокировать проход электронов. Катализатор — специальный материал, который облегчает реакцию между кисло- родом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеро- дистую бумагу или ткань. Катализатор дол- жен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембра- ной (ПОМ).

Газообразный водород (Н2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они про- ходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в дейст- вие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента. Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (O2) про- давливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих ато- мов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внеш- него контура (цепи) с образованием молекулы воды (H2O). Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много от- дельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов. Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля. На протяжении последних лет большинст- во из ведущих мировых производителей авто- мобилей (DaimlerChrysler, GM, Ford, Honda, Toyota и др.) инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, ис- пользующих топливные элементы. К 1999 г. многие из производителей автомобилей про- демонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощност- ными и динамическими характеристиками, хо- тя они имели довольно высокую стоимость. Совершенствование конструкций таких авто- мобилей происходит очень интенсивно. Компания DaimlerChrysler в 1994 г. впер- вые представила микроавтобус NECAR I на топливных элементах, в котором оставалось место только для водителя, а все остальное пространство занимал экспериментальный силовой узел. Другой автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes- Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами располо- жена под полом автомобиля (рис. 8.12). Такое конструктивное решение дает воз- можность разместить в салоне автомобиля че- тырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топ- лива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (уст- ройства, перерабатывающего метанол в водо- род), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование

реформера на борту автомобиля дает возмож- ность использовать в качестве топлива практи- чески любые углеводороды, что позволяет за- правлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теорети- чески топливные элементы не производят ниче- го, кроме электричества и воды. Преобразова- ние топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, не- сколько снижает экологическую привлекатель- ность такого автомобиля. Альтернатива заклю- чается в использовании в автомобиле сжатого или сжиженного водорода, но в этом случае за- правка автомобиля не настолько удобна, и, хотя в некоторых странах (США, Япония, Германия) уже существуют водородные заправки, их явно недостаточно для широкого распространения водородных автомобилей. Рано или поздно на- ступит момент, когда бензин станет очень доро- гим, а основные запасы нефти исчерпаются. Кроме того, использование бензина мало по- может в решении проблемы с выбросами СО2. Использование водорода может сделать систе- му на топливных элементах гораздо проще, но потребует решения огромных проблем в связи с хранением топлива, его передачи и распреде- ления, а также выполнения строгих мер по безо- пасности. Компания Honda, которая занимается топ- ливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей Honda FCX-V4 с протонно-обменными топлив- ными элементами мембранного типа фирмы Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для приво- да ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим мо- ментом 272 Н•м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традици- онной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную дина- мику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.

Автомобиль Honda FCX — первый в мире ав- томобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нор- мам ZEV — Zero Emission Vehicle (автомо- биль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти ав- томобили, а передает порядка 30 автомоби- лей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок. Большие исследования по разработке и со- зданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors (рис. 8.14). При создании концептуального автомобиля GM Hy Wire было получено 26 патентов. Основу автомобиля составляет функцио- нальная платформа (рис. 8.15) толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управле- ния автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Hy Wire пред- ставляет собой платформу небольшой тол- щины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: балло- ны для водорода, топливные элементы, ак- кумуляторы, электродвигатели и системы управления. Такой подход к конструкции да- ет возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по произ- водству топливных элементов. Проблеме использования водорода в ка- честве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фир- мой Magna Steyer, известной своими работа- ми по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разрабо- тала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомоби- лях (рис. 8.16). Компания провела серию испытаний на бе- зопасность конструкции по стандартным мето- дикам и подтвердила ее надежность (рис. 8.17). В сентябре 2002 г. на автосалоне во Франкфур- те-на-Майне (Германия) был показан автомо-

биль Mini Cooper Hydrogen, который использует в качестве топлива сжиженный водород. Топлив- ный бак этого автомобиля занимает такое же место, как и обычный бензобак. Водород в этом автомобиле используется не для топливных элементов, а в качестве топлива для ДВС. В 2003 г. фирма BMW объявила о выпус- ке первого серийного автомобиля с топлив- ным элементом BMW 750 hL (рис. 8.18). Ба- тарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора. Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работаю- щий на водороде, а топливный элемент слу- жит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционе- ра и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработа- ющим двигателем (рис. 8.19). Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, кото- рые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом (рис. 8.20). Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на соз- дание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные си- ловые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широ- кое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, эконо- мическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо соз- дать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности. Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водо- родном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на во- дород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.

Рис. 8.9. Химические процессы в топлив- ном элементе

Рис. 8.10. Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембра- ной: 1 — анод; 2 — протонно-обменная мембрана (РЕМ); 3 — катализатор (крас- ный); 4 — катод

Рис. 8.11. Отдельная ячейка топливного элемента

Рис. 8.12. Автомобиль на топливных эле- ментах производства DaimlerChrysler из- готовлен на базе Mercedes A-класса, ис- пользует силовую установку, располо- женную под полом автомобиля

Рис. 8.13. Автомобиль Honda FСX исполь- зует для движения электрическую энер- гию, получаемую с помощью топливных элементов

Рис. 8.14. Концептуальный автомобиль Hy Wire компании General Motors имеет сило- вую установку на топливных элементах

Рис. 8.15. Шасси автомобиля Hy Wire

Рис. 8.16. Компания BMW совместно с фир- мой Magna Steyer разработала конструк- цию «безопасного» топливного бака для сжиженного водорода: 1 — заправочное устройство; 2 — наружный бак; 3 — опоры; 4 — датчик уровня; 5 — внутренний бак; 6 — заправочная линия; 7 — изоляция и ваку- ум; 8 — нагреватель; 9 — крепежная коробка

Рис. 8.17. Испытания на безопасность ав- томобиля BMW 750 hL по существующим методикам подтвердили безопасность ис- пользования топливного бака с жидким водородом

Рис. 8.18. BMW 750 hL — первый в мире серийный автомобиль с топливным эле- ментом вместо аккумуляторной батареи

Рис. 8.19. Топливный элемент автомобиля BMW 750 hL не превосходит размерами обычный свинцово-кислотный аккумулятор

Рис. 8.20. Заправка водородом автомоби- ля BMW производится роботом, водитель не участвует в этом процессе