IZONE- http://www.izcity.com/- бесплатный софт, вэб-сервисы, ресурсы для раскрутки, свежие номера журнала "Internet Zone".

Топливные элементы - источники питания будущего

Дмитрий Пивоваров

Итак, что же такое топливные элементы? Обратившись к энциклопедическому словарю, можно выудить оттуда следующее определение: “ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ - гальванический элемент, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей реагентов (топлива, напр. водорода, и окислителя, напр. кислорода) из специальных резервуаров. Важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии в электрическую. Используется в автономных энергетических установках, напр., на космических аппаратах”.

Другими словами, топливный элемент – это аналог обычной батарейки или аккумулятора, но с единственным отличием – он не нуждается в перезарядке и работает, пока в нем присутствует топливо.

Немного истории

    А начиналось все с открытия М. Фарадеем законов электролиза в 1834 году. Он первым провел серию опытов, связанных с прохождением электрического тока через различные электролиты (растворы солей, раствор серной кислоты и другие) и, по существу, создал первый гальванический элемент.

Открытие же водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород, он обнаружил побочный эффект – электролизер вырабатывал электрический ток. Произошло это открытие в 1838 году.

Принципы работы

    Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного “холодного” горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Конструктивно топливный элемент состоит из двух электродов – анода и катода – и разделяющего их электролита. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.

В топливном элементе вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:

    • газ (топливо, окислитель);
    • электролит (проводник ионов);
    • металлический электрод (проводник электронов).

    В топливном элементе происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, а, следовательно, не требуют замены, хотя в реальных конструкциях со временем все же загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен – приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме.

Продуктами работы топливного элемента, в соответствии с вышесказанным, являются тепло и вода, причем и то и другое можно также утилизировать и поднять тем самым коэффициент полезного действия системы до 90-95%. Таким КПД не обладает ни одна из имеющихся на данный момент энергетических систем!

Интересно то, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны…биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. Получается, что человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.

Почему именно топливные элементы?

    А в самом деле, зачем? Чем плохи обычные батарейки или аккумуляторы? Дело в том, что на данный момент топливные элементы являются наиболее перспективным источником электрической энергии. Действительно, если провести сравнительный анализ топливных элементов, то выяснится, что:

    • топливные элементы имеют высокий КПД, достигающий 95% (у обычных энергоустановок – 35%);
    • цена одного киловатта энергии, вырабатываемой одним топливным элементом, ниже, чем у его конкурентов;
    • энергия вырабатывается непрерывно при наличии в элементе топлива, в отличие от аккумуляторов, которые требуют периодической замены электролита;
    • топливный элемент и продукты его работы экологически чисты;
    • топливный элемент работает бесшумно;
    • топливный элемент практически “всеяден”, т.е. в качестве топлива может использоваться практически любое водородосодержащее топливо. Следует также отметить, что уже ведутся разработки топливных элементов, работающих на бензине, дизельном топливе, урановом топливе и др.;
    • топливные элементы могут использоваться практически в любых условиях, включая загрязненную среду, низкие температуры и т.д.

    Оценить преимущества топливных элементов можно по следующим двум рисункам. На первом представлены гистограммы КПД различных источников энергии, на втором – шумовой уровень этих же источников.

Рисунок 1, рисунок 2.

    Диапазон применения топливных элементов необычайно широк: от мобильных телефонов и ноутбуков до мегаваттных электростанций, работающих исключительно на топливных элементах.

Впрочем, что касается мобильной техники и, в частности, ноутбуков, то здесь далеко не все так радужно.

Дело в том, что один топливный элемент выдает напряжение лишь порядка одного вольта, что явно недостаточно для питания ноутбука. Объединение же нескольких элементов хоть и позволяет получить больший вольтаж, но ведет к значительному увеличению габаритов и массы, а добавление лишнего килограмма к весу ноутбука никакого одобрения получить не может. А уж о сотовых телефонах речи не идет вообще.

Однако компании-производители топливных элементов не собираются останавливаться на достигнутом. Топливный элемент – перспективный источник энергии, и разработка (равно как и последующая продажа) его более компактного варианта может обеспечить безбедное существование компании, занявшей лидирующее положение в данной отрасли.

Например, мюнхенская компания Smart Fuel Cell, еще в январе этого года объявила о начале производства миниатюрных топливных элементов для питания таких мобильных устройств, как видеокамеры и ноутбуки. В гонке за лидерство в области топливных элементов участвует много известных компаний - Mechanical Technologies, Motorola, Manhattan Scientifics, Ball Aerospace, Fraunhofer Institute, Samsung и другие, однако прежде ни одной из них не удалось продемонстрировать реальный продукт.

Предполагается, что мюнхенское предприятие компании обеспечит производство до 2000 элементов до конца текущего года, однако уже к 2004 году планируется выход на уровень производства как минимум 100000 элементов в год.

Перезарядка элемента будет заключаться лишь в заливке очередной порции горючего и не потребует выключения питаемого устройства. В настоящее время емкость топливного элемента вмещает 120 мл метанола, этого достаточно для обеспечения работы ноутбука потребляемой мощностью 15 Ватт в течение 10 часов. Что касается стоимости жидкого топлива, то, по оценке специалистов компании, при объемах производства только в США в 35,7 млн. тонн метанола в год и цене 33 цента за галлон можно ожидать, что заправленный картридж будет обходиться покупателю в $3-5.

Источник питания будущего

    Наука не стоит на месте, все новые и новые компании включаются в разработку перспективной области. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.

Так, фирма Siemens буквально на днях (в начале апреля) объявила о значительном шаге вперед в сторону снижения стоимости топливных элементов до приемлемого уровня. Кроме того, разработчики компании утверждают, что следующее поколение топливных элементов будет состоять из нескольких (до 10) плоских частей, установленных друг за другом. Это позволит сократить путь, проходимый электрическим током и значительно снизить общее сопротивление элемента. Первые испытания, проведенные в лабораториях, подтвердили ожидания ученых. Предварительный расчет показал, что новый дизайн элементов позволит достичь почти трехкратного увеличения мощности по сравнению с имеющимися сейчас. Это означает, что средств и сырья для производства того же количества энергии потребуется меньше.

         Toshiba же вообще утверждает, что в ближайшем будущем мы с вами обнаружим себя живущими в доме, снабжаемом энергией топливных элементов с полимерным электролитом (Polymer Electrolyte Fuel Cells), водящими машину, работающую на PEFC и звонящими по сотовому, который также работает на PEFC. В качестве электролита в таких элементах используется полимерная твердая мембрана, что позволяет значительно уменьшить габариты. Сводная таблица характеристик этих топливных элементов приводится ниже.

Сводная таблица характеристик PEFC

  Использование в домашних условиях На рабочем месте В автомобиле В общественном транспорте
Выходная мощность 0,5-5кВт 5-50кВт 20-50кВт 20-250кВт
Применение Домашнее, мобильная техника Отели, больницы Обычные автомобили Автобусы и т.д.
КПД 30-40% 30-40% 30% (в 2 раза выше, чем двигатель внутреннего сгорания)
Наработка на отказ, часов 60000-100000 40000 5000 40000-60000
Число остановок/ запусков 2000-3000 1000 10000 20000-30000
Технические свойства Низкая стоимость Компактность Малый вес Отсутствие шума Надежность Низкая стоимость Компактность Малый вес Легкость обслуживания Прочность Отсутствие шума Надежность Возможность утилизировать тепло Низкая стоимость Компактность Малый вес Частые запуски/ остановки Выбор топлива Работа в тяжелых условиях (температура, вибрации, высота) Отсутствие шума Надежность

         Японская фирма Casio в начале этого года не только представила новый прототип топливных элементов, но и представила ноутбук и цифровую камеру с питанием от новых элементов. Фирма утверждает, что ноутбук с топливным элементом будет в два раза легче своих аналогов на литий-ионных аккумуляторах, а по продолжительности работы будет превосходить их в 4 раза! Новый элемент содержит так называемый микро-реактор, образованный на кремниевой “вафле” и осуществляющий химическую реакцию преобразования топлива на основе метанола в водород с участием катализатора. КПД подобной реакции достигает 98%. В будущем Casio планирует увеличить эффективность своих элементов по сравнению с современными аналогами в 6-8 раз.

Фирма нацеливается на коммерциализацию своего продукта к 2004 году.

Так как исследования ведутся довольно интенсивно, с привлечением значительных финансовых средств, мы вправе ожидать появления через пару лет полноценного мобильного офиса – ноутбука, сотового телефона с выходом в Интернет и другой периферии – работающего на топливных элементах в течение многих часов (а может быть и дней) и в то же время легкого, экологически безопасного и дешевого. Такого, который подойдет каждому.

Источник: http://www.mconline.ru/

 


Copyright © "Internet Zone", http://www.izcity.com/, info@izcity.com