Топливная ячейка водородная


начало большого пути / Блог компании Toshiba / Хабр

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы


Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.


Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.


Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи


Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.


Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One


Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер h3One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.


Монтаж системы h3One в городе Кавасаки

Водородное будущее


Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

топливных элементов | Гидрогеника

Водород + Кислород = Электричество + Водяной пар


Катод: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
Анод: 2H 2 4H + + 4e - 9000 Всего: 2H 2 + O 2 2H 2 O

Топливный элемент - это устройство, которое преобразует потенциальную химическую энергию (энергию, запасенную в молекулярных связях) в электрическую энергию.Элемент PEM (протонообменная мембрана) использует газообразный водород (H 2 ) и газообразный кислород (O 2 ) в качестве топлива. Продуктами реакции в клетке являются вода, электричество и тепло. Это значительное улучшение по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями, работающими на угле, и атомными электростанциями, которые производят вредные побочные продукты.

Поскольку O 2 легко доступен в атмосфере, нам нужно только снабдить топливный элемент H 2 , который может быть получен в процессе электролиза (см. Щелочной электролиз или PEM электролиз).

Существует четыре основных элемента топливного элемента PEM:

Анод, отрицательный пост топливного элемента, имеет несколько рабочих мест. Он проводит электроны, которые освобождены от молекул водорода, так что они могут быть использованы во внешней цепи. Он имеет протравленные в нем каналы, которые равномерно распределяют газообразный водород по поверхности катализатора.

Катод, положительный полюс топливного элемента, имеет протравленные в нем каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора.Он также проводит электроны обратно из внешнего контура к катализатору, где они могут рекомбинировать с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

Электролит - это протонообменная мембрана. Этот специально обработанный материал, похожий на обычную кухонную пластиковую пленку, проводит только положительно заряженные ионы. Мембрана блокирует электроны. Для PEMFC мембрана должна быть гидратирована, чтобы функционировать и оставаться стабильной.

Катализатор представляет собой специальный материал, который облегчает реакцию кислорода и водорода.Обычно его изготавливают из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор является шероховатым и пористым, так что максимальная площадь поверхности платины может подвергаться воздействию водорода или кислорода. Покрытая платиной сторона катализатора обращена к PEM.

Как следует из названия, сердце клетки - это протонообменная мембрана. Это позволяет протонам проходить через него практически беспрепятственно, в то время как электроны блокируются. Таким образом, когда H 2 попадает на катализатор и распадается на протоны и электроны (помните, что протон - это то же самое, что и ион H +), протоны проходят непосредственно через сторону катода, в то время как электроны вынуждены проходить через внешнюю цепи.По пути они выполняют полезную работу, например, зажигают лампочку или приводят в движение мотор, а затем объединяются с протонами и O 2 на другой стороне для производства воды.

Как это работает? Газообразный водород под давлением (H 2 ), поступающий в топливный элемент со стороны анода. Этот газ проходит через катализатор под давлением. Когда молекула H 2 вступает в контакт с платиной на катализаторе, она расщепляется на два иона H + и два электрона (e-). Электроны проходят через анод, где они проходят через внешнюю цепь (выполняя полезную работу, такую ​​как вращение двигателя) и возвращаются на катодную сторону топливного элемента.

Между тем, на катодной стороне топливного элемента газообразный кислород (O 2 ) проталкивается через катализатор, где он образует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд притягивает два иона H + через мембрану, где они соединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура, образуя молекулу воды (H 2 O).

Все эти реакции происходят в так называемом стеке клеток. Опыт также включает в себя установку полной системы вокруг основного компонента, который является стеком ячеек.

Стек будет встроен в модуль, включающий управление топливом, водой и воздухом, аппаратное и программное обеспечение управления охлаждающей жидкостью. Затем этот модуль будет интегрирован в целостную систему для использования в различных приложениях.

Из-за высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), эта великолепная технология может использоваться во многих приложениях, таких как транспорт (автомобили, автобусы, вилочные погрузчики и т. Д.) И резервное питание для производства электроэнергии во время отказа электросеть.

Преимущества технологии:

  • За счет преобразования химической потенциальной энергии непосредственно в электрическую энергию топливные элементы избегают «теплового узкого места» (следствие закона термодинамики 2 и ) и, таким образом, по своей природе более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, которые должны сначала преобразовывать потенциальную энергию химического вещества. в тепло, а затем механическую работу.
  • Прямые выбросы от автомобиля на топливных элементах - это только вода и немного тепла. Это огромное улучшение по сравнению с линией парниковых газов двигателя внутреннего сгорания.
  • Топливные элементы не имеют движущихся частей. Таким образом, они намного надежнее традиционных двигателей.
  • Водород можно производить без вреда для окружающей среды, а добыча и переработка нефти очень вредны.

Топливные элементы | Водород

Топливный элемент похож на аккумулятор в том, что он вырабатывает электричество в результате электрохимической реакции.
Топливный элемент использует внешний источник химической энергии и может работать неограниченное время, если он снабжен источником водорода и источником кислорода (обычно воздуха). Источник водорода обычно называют топливом, и это дает топливному элементу его имя, хотя в нем не участвует процесс сгорания. Окисление водорода вместо этого происходит электрохимически очень эффективным способом.Во время окисления атомы водорода реагируют с атомами кислорода с образованием воды; при этом электроны высвобождаются и протекают через внешнюю цепь в виде электрического тока.
Топливные элементы могут варьироваться от крошечных устройств, производящих всего несколько ватт электроэнергии, вплоть до крупных электростанций, производящих мегаватты. Все топливные элементы основаны на центральной конструкции с использованием двух электродов, разделенных твердым или жидким электролитом, который переносит электрически заряженные частицы между ними. Катализатор часто используется для ускорения реакций на электродах.Типы топливных элементов обычно классифицируются в зависимости от природы электролита, который они используют. Каждый тип требует определенных материалов и топлива и подходит для различных применений.
В области энергетики большая часть водорода используется через топливные элементы (ТК). Топливный элемент - это электрохимическое устройство, которое объединяет водород и кислород для производства электричества, а вода и тепло являются побочными продуктами. В своей простейшей форме один топливный элемент состоит из двух электродов - анода и катода - с электролитом между ними.На аноде водород реагирует с катализатором, создавая положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Протон затем проходит через электролит, а электрон проходит через цепь, создавая ток. На катоде кислород реагирует с ионом и электроном, образуя воду и полезное тепло.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

ТОТЭ используют твердое непористое керамическое соединение в качестве электролита. Поскольку электролит является твердым, элементы не должны быть выполнены в пластинчатой ​​конфигурации, типичной для других типов топливных элементов.Ожидается, что при преобразовании топлива в электроэнергию ТОТЭ будут эффективны на 50–60% 15.
Они работают при очень высоких температурах, обычно от 500 до 1000 ° C. При этих температурах для ТОТЭ не требуется дорогостоящий платиновый каталитический материал, как в настоящее время необходимо для низкотемпературных топливных элементов, таких как PEMFC, и они не подвержены отравлению угарным катализатором (дезактивация примесями). Тем не менее, уязвимость к сере широко наблюдалась, и сера должна быть удалена до попадания в ячейку с помощью слоев адсорбента или других средств.
МФУ имеют широкий спектр применения: от вспомогательных силовых агрегатов в транспортных средствах до стационарной выработки электроэнергии с выходной мощностью от 100 Вт до 2 МВт. Более высокая рабочая температура делает ТОТЭ подходящими кандидатами для использования с устройствами рекуперации энергии теплового двигателя или с комбинированной выработкой тепла и мощности, что дополнительно увеличивает общую эффективность использования топлива.

топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC)

Мембранные топливные элементы с протонообменной мембраной

, также известные как топливные элементы с полимерным электролитом или PEMFC, обеспечивают высокую удельную мощность и имеют ряд преимуществ, связанных с их малым весом и объемом, по сравнению с другими FC 15.В PEMFC используются полимерные мембраны в качестве электролита и пористые углеродные электроды, содержащие платиновый катализатор. Этим типам FC требуются только водород, кислород из воздуха и вода для работы, и их работа не требует агрессивных жидкостей, как некоторые другие FC. Они, как правило, заправляются чистым водородом, поступающим из резервуаров.
Они работают при низких температурах, около 80 ° C, и они подходят для мобильных приложений и других применений, которые требуют первоначальной высокой потребности в энергии, которая имеет высокую плотность.
На сегодняшний день PEMFC не работают при высоких температурах из-за износа мембран тока, что является ограничением для некоторых применений FC. Их работа при низких температурах имеет важное преимущество, но также имеет некоторые неудобства. Основным преимуществом является то, что FC может быстро достичь рабочей температуры, начиная с температуры окружающей среды. Основная проблема заключается в том, что им требуется наличие платинового катализатора, чтобы иметь возможность работать, что увеличивает затраты. Кроме того, платиновый катализатор также очень чувствителен к отравлению СО, что делает необходимым использование дополнительного реактора для снижения содержания СО в топливном газе, если водород поступает из спирта или углеводородного топлива.Этот шаг делает этот тип ФК более дорогим. Исследования по сокращению или даже подавлению использования платины продолжаются, и количество платины, используемой в PEM FC, уже значительно уменьшилось. Кроме того, платиновый катализатор может быть переработан.
В настоящее время топливный элемент PEM является общепринятым выбором для применения на автомобильном транспорте (автомобили, автобусы, грузовики и т. Д.). PEM также используются в некоторых стационарных применениях.

щелочных топливных элементов

Щелочные топливные элементы (AFC) были одной из первых разработанных технологий FC, и они были первым типом, широко используемым в США.С. Космическая программа по производству электроэнергии и воды на борту космического корабля 13. Эти ФК используют раствор гидроксида калия в воде в качестве электролита и могут использовать различные недрагоценные металлы в качестве катализатора на аноде и катоде. Высокотемпературные AFC работают при температуре от 100 ° C до 250 ° C. Однако новые конструкции AFC работают при более низких температурах, примерно от 23 ° C до 70 ° C. Эффективность щелочного ФК, работающего на чистом водороде, составляет 60%.
Одним из их преимуществ является то, что полученная вода является питьевой и в настоящее время является самым дешевым топливным элементом для производства 14.Причина кроется в относительно недорогих материалах, используемых в качестве катализатора на их электродах, по сравнению с катализаторами, такими как платина, необходимыми для других типов ФК.
Одним из ограничений AFC является то, что они чувствительны к углекислому газу (CO2), который может присутствовать в топливе или воздухе. СО 2 реагирует с электролитом с образованием карбоната, который может снизить проводимость.
В настоящее время этот тип FC тестируется для стационарных источников питания.

топливные элементы с прямым метанолом (DMFC)

DMFC

работают на чистом метаноле, который смешивается с паром и подается непосредственно на анод топливного элемента.Их новинка - это используемое топливо. Анод может питаться жидким метанолом или парами метанола, тогда как катод получает воздух. DMFC относятся к семейству низкотемпературных FC. Их можно считать эволюцией PEMFC, так как они используют полимерную мембрану в качестве электролита. Однако платиновый рутениевый катализатор на аноде DMFC способен извлекать водород из жидкого метанола, устраняя необходимость в установке для риформинга топлива. Следовательно, чистый метанол может быть использован в качестве топлива.
DMFC имеют диапазоны рабочих температур от 60 ° C до 130 ° C и, как правило, используются в приложениях со скромными требованиями к питанию, таких как мобильные электронные устройства или зарядные устройства и портативные блоки питания 19.
DMFC также могут быть альтернативой PEMFC и резервуарам для хранения H 2 на транспортных средствах. В этой связи недавние проекты направлены на демонстрацию использования топливных элементов с метаноловым двигателем в качестве возможных расширителей дальности для небольших городских электромобилей.

Фосфорно-кислотные топливные элементы (PAFC)

Normal0falsefalsefalseEN-USX-NONEX-NONE / * Определения стиля * / table.MsoNormalTable {mso-style-name: "Table Normal"; МСО-tstyle-rowband величина: 0; МСО-tstyle-colband величина: 0; МСО-стиль-noshow: да; МСО-стиль-приоритет: 99; МСО-стиль-родителя: ""; mso-padding-alt: 0 см 5.4pt 0cm 5.4pt; МСО-пара-поле: 0cm; МСО-пара-край дно: .0001pt; МСО-пагинация: вдова-сирота; размер шрифта: 12.0pt; семейство шрифтов: «Calibri», без засечек; МСО-ASCII-семейство шрифтов: Calibri; МСО-ASCII-тема-шрифта: мелкий латынь; МСО-Ханси-семейство шрифтов: Calibri; mso-hansi-theme-font: minor-latin;}

В топливных элементах с фосфорной кислотой (PAFC) в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота (кислота содержится в матрице из карбида кремния с тефлоновой связью) и пористые углеродные электроды, которые содержат платиновый катализатор.
PAFC были разработаны в середине 60-х годов и испытаны с 70-х годов. С тех пор такие функции, как нестабильность, производительность и стоимость, были улучшены. Эти характеристики сделали PAFC хорошими кандидатами для стационарного применения.
Они работают в диапазоне от 150 ° C до 200 ° C, и вода, полученная в результате операции, может быть преобразована в пар для нагрева воздуха и воды (Комбинированное тепло и мощность, ТЭЦ). Эта функция позволяет повысить эффективность до 70%. При более низких температурах фосфорная кислота является плохим ионным проводником, и отравление CO платинового катализатора в аноде становится значительным.Однако у них есть то преимущество, что они гораздо менее чувствительны к СО, чем PEMFC и AFC. PAFCs допускают топлива, которые содержат CO и даже могут допускать концентрацию CO около 1,5%, что увеличивает диапазон топлива, которое можно использовать (примечание: если используется бензин, сначала необходимо удалить серу).

топливных элементов с расплавленным карбонатом (MCFC)

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) разрабатываются для электростанций, работающих на природном газе (NG) и на угле, для электрических, промышленных и военных применений.MCFC работают при высокой температуре и используют электролит, состоящий из расплавленной смеси карбонатных солей, суспендированных в пористой, химически инертной керамической матрице лития-оксида алюминия (LiAlO 2). Поскольку MCFC работают при чрезвычайно высоких температурах (650 ° C и выше), катализаторы не обязательно должны быть драгоценными металлами, такими как платина, что делает MCFC более доступным 20.
Они имеют эффективность 60% при производстве электроэнергии и 85%, если они используются в когенерации. Преимущества высокотемпературной работы в том, что повышается эффективность и позволяет использовать катализаторы, которые стоят дешевле; однако такие высокие температуры сокращают срок службы FC и способствуют коррозии.MCFC могут работать на таких видах топлива, как природный газ, биогаз, синтез-газ, метан и пропан.
К недостаткам можно отнести низкую удельную мощность и агрессивность электролита.

Источник и фотография: FuelCellToday

,

автомобилей с водородным топливным элементом

  • Рынки
    • Транзитный автобус
    • Автомобильная
    • Rail
    • Грузовик
    • Обработка материалов
    • БПЛА
    • Критическая инфраструктура
    • Морской
  • Решения для топливных элементов
    • Энергетические продукты на топливных элементах
      • сверхмощных модулей
      • Стеки топливных элементов
      • Системы резервного питания
      • FCmove
    • Технологические решения
      • Разработка продукта
      • Проектирование и интеграция систем
      • Разработка и производство компонентов
      • Службы тестирования и станции
      • Лицензирование и передача технологий
    • Конкурентное преимущество
  • Поддержка
    • Глобальная поддержка продуктов
    • Послепродажное обслуживание
  • инвестора
    • Отдел новостей
    • Финансовые отчеты
    • Фондовая информация
    • Доходы, интервью и презентации
    • Охват аналитиков
    • Управление
    • Нормативные документы
    • Часто задаваемые вопросы для инвесторов
    • Инвестор Контакт
  • Блог
  • О Балларде
    • Наше видение
    • Наша история
    • Наше руководство
    • Совет директоров
    • Отдел новостей
      • Пресс-релизы
        • 2020
        • 2019
        • 2018
        • 2017
        • 2016
.

Смотрите также