Топливные элементы в недалёкой перспективе могут существенно потеснить другие электрохимические источники тока, например, аккумуляторные батареи. Благодаря своей высокой эффективности, экологической безопасности они могут вытеснить аккумуляторы в таких областях, как робототехника, автомобильная промышленность, энергетические системы, а также в области строительства космических аппаратов. Рассмотрим подробнее, как они устроены, их преимущества и недостатки.
Батарейка для живой клетки
Не будет существенным преувеличением, утверждение, что топливные элементы (ТЭ) являются очень распространёнными источниками энергии на нашей планете. Количество их настолько огромно, что совсем не поддаётся вычислению.
Однако, это утверждение верно только для живых организмов. Ведь в каждом из них есть множество естественных ТЭ. Это митохондрии, которые находятся внутри клеток различных организмов, населяющих Землю. В процессе жизнедеятельности митохондрии обеспечивают клетки энергией, синтезируя АТФ из жирных кислот и пируватов.
Разумеется, что даже полностью изученный процесс, происходящий в живых клетках, непригоден для применения в промышленных масштабах. Наука пошла другим путём.
История изобретения
Первым, кто смог продемонстрировать процесс, при котором химическая энергия преобразовывалась в электрический ток, был английский учёный Уильям Роберт Грове.
В опыте, который был описан учёным в 1839 году, ему удалось обнаружить, что между двумя электродами из платины, один из которых омывался водородом, а другой — кислородом, возникал электрический ток. Этот ток вызывал отклонение стрелки гальванометра. Прибор, который позволил осуществить такую реакцию, Грове назвал — газовая батарея.
В 1887 году русский учёный П. Н. Яблочков запатентовал свою конструкцию топливного элемента. Однако создать рабочий образец установки удалось английскому инженеру Ф. Т. Бекону только в 1939 году. Установка работала при температуре 100 °C и давлении 200 атм, выдавая ток 13 мА с 1 см2. Время её работы составило 48 минут.
После проведённых исследований в 1959 году Бекону удалось улучшить конструкцию и создать батарею, состоящую из 40 элементов. Её КПД составлял 80%. Мощность этой весьма массивной батареи составляла 5 кВт, причём для работы требовалось давление 20–40 бар и температура 200 ℃. Батарея позволяла обеспечить выработку энергии, необходимой для работы грузоподъёмника или сварочного аппарата.
В этом же году американская компания Allis—Chalmers представила трактор, работающий на ТЭ. Мощность установки составляла 15 кВт, а топливом служил водород.
Несмотря на то что трактор не был предназначен для широкого использования, факт его создания знаменует целую веху в истории создания транспортных средств на ТЭ.
Советский Союз в 60-х годах ХХ века также активно занимался разработкой топливных элементов. Однако, они предназначались для космического пространства. В частности, корпорация «Энергия» занималась разработкой топливных элементов для космических аппаратов, предназначенных для исследования Луны.
Также, топливные элементы были установлены на космическом корабле «Буран».
Конструкция
Конструктивно современный ТЭ состоит из двух электродов. К отрицательному электроду — аноду подаётся топливо, а окислитель подаётся к положительному электроду — катоду. Для ускорения химических реакций электроды покрываются слоем катализатора — платиной или другими материалами.
Пространство между электродами заполнено электролитом или мембраной. Предназначение мембраны — обеспечивать проводимость протонов. Материалом для её изготовления может служить керамика или полимеры. Однако, существуют и конструкции, где мембрана отсутствует.
Рассмотрим работу водородно-кислородного ТЭ с полимерной мембраной. Попадая на анод, водород начинает распадаться на ионы, при этом теряя электроны. Мембрана пропускает положительно заряженные ионы водорода к катоду, но не пропускает электроны, которые отдаются во внешнюю цепь.
Эти электроны, проходя по электрической цепи, попадают на катализатор катода, соединяются с молекулами кислорода и образуют воду. Вода в виде пара или в жидком состоянии выводится наружу. Конструкция установки позволяет обеспечить стабильную работу до тех пор, пока в неё поступает горючее и окислитель.
В качестве горючего могут выступать и другие материалы: спирт или углеводороды. Также в качестве окислителя может применяться двуокись хлора.
Преимущества
Использование ТЭ в качестве источника энергии для транспортных средств имеет значительные преимущества перед аккумуляторами. Это возможно благодаря существенному различию — ТЭ только преобразовывает энергию из одного вида в другой вид.
Напротив, энергия в аккумуляторе запасается непосредственно в нём самом. При необходимости обеспечить значительный запас хода, ТЭ будут иметь преимущества перед аккумуляторами.
Также у топливных элементов отсутствуют жёсткие ограничения, связанные с коэффициентом полезного действия. Это возможно благодаря непосредственному превращению топлива в электроэнергию.
КПД современных ТЭ может достигать 60–80%, при этом он не зависит от загрузки.
Благодаря тому, что в результате реакции в окружающую среду выделяется только водяной пар, широкое применение ТЭ элементов позволит снизить общее количество вредных газов, выделяемых в атмосферу.
Ещё одним существенным преимуществом ТЭ является их компактность, отсутствие шума, длительный срок эксплуатации, отсутствие необходимости технического обслуживания и высокая надёжность.
Проблемы
Однако, преимущества ТЭ нивелируются слабым развитием инфраструктуры.В свою очередь, отсутствие большого количества потребителей, приводит к экономической нецелесообразности развития инфраструктуры. Возникает замкнутый круг.
Хотя при работе ТЭ выделяется пар, производство топлива для ТЭ — водорода, также требует решения задач, связанных с рентабельностью, очисткой и хранением. Наиболее выгодный способ — производство водорода из природного газа.
Хранение водорода также представляет известную проблему, ведь этот газ очень пожароопасен и взрывоопасен. В малых количествах он может вспыхнуть даже при очень низких температурах окружающего воздуха.
Другая проблема связана с инертностью ТЭ, что не позволяет их напрямую использовать для сглаживания пиковых нагрузок. Для этого требуется установка дополнительных конденсаторов или аккумуляторов.
Также широкому внедрению ТЭ мешает высокая стоимость материала для катализатора — платины. Кроме того, согласно подсчётам учёных, мировых запасов платины, приблизительно может хватить только на 15 лет при производстве в промышленных масштабах.
Заключение
Количество автомобилей в мире неуклонно растёт. Вместе с этим увеличивается и вредное воздействие на окружающую среду. Создание экологически чистого источника энергии для автомобилей может полностью перевернуть рынок энергоносителей и выдвинуть водород на первое место.
Ведь на сегодня в мире примерно 70% всей добываемой нефти, расходуется на создание автомобильного топлива. Создание новой инфраструктуры открывает фантастические перспективы. При этом автомобили на ТЭ могут потеснить автомобили на аккумуляторных батареях.
