Топливные элементы пользовались наибольшей популярностью в 1990-х годах, когда ученые и сторонники акций предполагали, что мир будет использовать чистый и неисчерпаемый ресурс - водород. Они предсказали, что автомобили будут работать на топливных элементах, а домашние хозяйства будут вырабатывать электроэнергию из топливных элементов на заднем дворе. Улучшения в конструкции стека за это время привели к увеличению удельной мощности и снижению затрат. Цены на акции взлетели до небес, и промоутеры были ослеплены. Высокая стоимость производства, низкая производительность и короткий срок службы мешали воплотить мечту о водороде в реальность. С тех пор шумиха и инвестиционное финансирование снизились, и мы надеемся, что более разумный подход в конечном итоге найдет правильное применение для топливных элементов.

Перед тем, как пересмотреть ожидания, было сказано, что топливный элемент так же революционен в изменении мира, как и микропроцессор. Эксперты далее заявили, что использование неисчерпаемого источника топлива, водорода, улучшит качество жизни, а экологические проблемы сжигания ископаемого топлива будут решены навсегда. С 1999 по 2001 год более 2000 организаций принимали активное участие в разработке топливных элементов, а четыре крупнейшие государственные компании по производству топливных элементов в Северной Америке привлекли более миллиарда долларов в виде публичных акций. Что пошло не так? Является ли сжигание водорода вместо ископаемого топлива заблуждением? Давайте посмотрим на это поближе. 

Топливный элемент в два раза эффективнее превращает углеродное топливо в электричество, чем сжигание. Водород, простейший элемент, состоящий из одного протона и одного электрона, в изобилии и исключительно чист в качестве топлива. Водород составляет 90 процентов Вселенной и является третьим по распространенности элементом на поверхности Земли. Такое изобилие топлива обеспечило бы почти неограниченный запас энергии по относительно низкой цене, но здесь есть загвоздка. 

Ядро топливного элемента (батарея), которое преобразует кислород и водород в электричество, дорого строить, а производство водорода обходится дороже, чем бензин с точки зрения низшей теплотворной способности (NCV). Некоторые говорят, что водород почти энергетически нейтрален, что означает, что для его производства требуется столько же энергии, сколько он доставляется в конечный пункт назначения. Если источник энергии, используемый для производства водорода, не будет из возобновляемых источников, водород не решит проблему энергии и не уменьшит углеродный след. 

Водород не является источником энергии как таковой, но представляет собой среду для ее транспортировки и хранения. Представляя «сжигание бесконечного запаса водорода», мы должны сначала произвести ресурс. На Земле не так много водорода, который готов к использованию, поскольку есть нефть и природный газ, и для его превращения в полезный продукт необходимы другие источники энергии, аналогичные электричеству для зарядки аккумулятора. Если электричество производит водород, то этот источник энергии должен поступать из возобновляемых источников. Это не всегда так, и многое происходит от сжигания угля, нефти и природного газа. 

Ископаемое топливо хорошо подходит для производства водорода, однако преобразование этого ценного топлива в водород не имеет большого смысла, если учесть, что этот процесс не добавляет большой ценности. С этой точки зрения водород не может конкурировать с ископаемым топливом, которое «бесплатно» выкачивают из земли в качестве подарка человечеству.

Еще одним недостатком является хранение топлива. Жидкий водород имеет низкую плотность энергии, а его объемный запас энергии примерно в пять раз меньше, чем у бензиновых продуктов. В жидкой форме водород требует обширной изоляции для хранения в холоде, а в газообразной форме водород под давлением требует тяжелых резервуаров для хранения. 

Установка риформинга позволит использовать метанол, пропан, бутан и природный газ, однако при преобразовании этих ископаемых видов топлива в чистый водород выделяется некоторое количество оставшегося углерода. Хотя реформатор на 90 процентов менее эффективен, чем выхлопная труба автомобиля, ношение преобразователя увеличивает вес автомобиля и увеличивает его стоимость. Вдобавок известно, что риформеры работают медленно, и чистое преимущество топливных элементов перед двигателем внутреннего сгорания уменьшается.

Сэр Уильям Гроув, валлийский судья и ученый-джентльмен, разработал концепцию топливных элементов в 1839 году, но это изобретение так и не стало популярным. Частично это было связано с быстро развивающимся двигателем внутреннего сгорания, обещавшим лучшие первые результаты. Только во второй половине 20-го века топливный элемент был использован на практике во время космической программы Gemini в 1960-х годах. НАСА предпочло этот чистый источник энергии ядерной или солнечной энергии, а система щелочных топливных элементов, которая была выбрана, вырабатывала электричество и производила питьевую воду для астронавтов. 

Из-за высокой стоимости материала топливный элемент в то время был неприемлем для коммерческого использования. Это не помешало доктору Карлу Кордешу, соавтору щелочной батареи, переоборудовать свой автомобиль на щелочной топливный элемент в начале 1970-х годов. Кордеш много лет водил свою машину в Огайо, США. Он поместил водородный бак на крышу и использовал багажник для топливного элемента, а также для резервных батарей. По словам Кордеша, «места хватило для четырех человек и собаки». 

Топливный элемент - это электрохимическое устройство, которое объединяет водородное топливо с кислородом для производства электроэнергии, тепла и воды. Топливный элемент похож на батарею в том, что электрохимическая реакция происходит, пока есть топливо. Водородное топливо хранится в контейнере под давлением, а кислород берется из воздуха. Из-за отсутствия процесса горения отсутствуют вредные выбросы, а единственным побочным продуктом является пресная вода. Вода, выделяемая из топливного элемента с протонообменной мембраной (PEMFC), настолько чиста, что посетителям Vancouver's Ballard Power Systems подавали горячий чай, приготовленный из этой чистой воды. 

По сути, топливный элемент - это электролиз в обратном направлении, с использованием двух электродов, разделенных электролитом. Анод (отрицательный электрод) получает водород, а катод (положительный электрод) кислород. Катализатор на аноде разделяет водород на положительно заряженные ионы водорода и электроны, кислород ионизируется и мигрирует через электролит в анодный отсек, где он соединяется с водородом. Один топливный элемент вырабатывает под нагрузкой от 0,6 до 0,8 В. Для получения более высоких напряжений несколько ячеек подключаются последовательно.

Поскольку существуют разные химические составы аккумуляторов, есть также несколько систем топливных элементов на выбор. В таблице 1 мы суммируем преимущества и ограничения наиболее распространенных топливных элементов. События относятся ко времени написания.
 

Тип топливного элемента

Приложения

Преимущества

Ограничения

Положение дел

Протонообменная мембрана (PEMFC)

От средних до больших систем для портативных, стационарных и автомобильных.

Компактный дизайн; долгий срок эксплуатации; предлагает быстрый запуск, эффективность 50%.

Дорого построить; нужен чистый водород, комплексное управление теплом и водой.

Практичный и наиболее широко разработанный.

Щелочной
(AFC)

Космос (НАСА), наземный транспорт, подводные лодки.

Низкие затраты на производство, эксплуатацию; без компрессора, быстрая катодная кинетика.

Большой размер; нужен чистый водород и кислород.

Новый интерес в связи с низкими производственными, эксплуатационными расходами.

Расплавленный карбонат
(MCFC)

Крупномасштабная энергетика.

Эффективный; когенерация использует тепло для работы турбин

Электролитная нестабильность; ограниченный срок службы.

Хорошо развит; полукоммерческий.

Фосфорная кислота
(PAFC)

Производство электроэнергии от среднего до большого.

Терпимый к топливу; для когенерации.

Низкий КПД, ограниченный срок службы, дорогой катализатор.

Конкурирует с PEMFC.

Твердый оксид (ТОТЭ)

Производство электроэнергии от среднего до большого.

Снижает потребление топлива, кормов, использует природный газ; КПД 60% с когенерацией.

Высокие температуры; экзотические металлы; высокие производственные затраты, небольшой срок эксплуатации.

Новый материал, конструкция стека дают начало новому развитию.

Прямой метанол
(DMFC)

Портативное, мобильное и стационарное использование.

Компактный; питается непосредственно метанолом; нет компрессора.

Сложный стек, медленная реакция на загрузку; Эффективность 20%.

Ограниченное производство.

Таблица  1: Преимущества и недостатки различных систем топливных элементов . Развитие топливных элементов не продвигается такими же темпами, как батареи, и прямая замена пока невозможна.

Топливный элемент в автомобиле

В топливных элементах для автомобилей используется протонообменная мембрана, или сокращенно PEM. PEM использует полимерный электролит и на сегодняшний день является одной из наиболее разработанных и наиболее часто используемых систем топливных элементов. Система PEM обеспечивает компактную конструкцию и обеспечивает высокое соотношение энергии к весу. Еще одно преимущество - относительно быстрый запуск при подаче водорода. Стек работает при умеренной температуре около 80 ° C (176 ° F) и имеет 50-процентный КПД. (Для сравнения, эффективность двигателя внутреннего уплотнения составляет всего около 25 процентов).

Ограничениями топливных элементов PEM являются высокие производственные затраты и сложные системы управления водными ресурсами. Стек содержит водород, кислород и воду, и если она сухая, необходимо добавить воду, чтобы система заработала; слишком много воды вызывает затопление. Система требует чистого водорода; более низкие сорта топлива могут вызвать разложение мембраны. Тестирование и ремонт стека сложны, и это становится очевидным, когда понимаешь, что стек 150 В, 50 кВт для питания автомобиля требует 250 ячеек.

Еще одна проблема - экстремальные рабочие температуры. Замерзшая вода может повредить штабель, поэтому производитель рекомендует нагревательные элементы для предотвращения образования льда. В холодном состоянии запуск происходит медленно, и сначала производительность низкая. Избыточное тепло также может вызвать повреждение и регулирование рабочих температур, а также для подачи достаточного количества кислорода требуются компрессоры, насосы и другие аксессуары, которые потребляют около 30 процентов вырабатываемой энергии. 

При эксплуатации в транспортном средстве стек PEMFC имеет расчетный срок службы 2000–4000 часов. Условия запуска и остановки, вызывают высыхание и увлажнение, способствуют напряжению мембраны. Непрерывно работающая стационарная дымовая труба рассчитана на 40 000 часов. Замена стека - это большие расходы. 

Даже с этими ограничениями топливный элемент как силовая установка во многих отношениях превосходит батареи. Это снижает потребность в переноске больших аккумуляторов, что необходимо для транспортного средства, которое приводится в движение только батареями. На рис. 2 показан практический диапазон пробега транспортного средства с топливным элементом по сравнению со свинцово-кислотными, NiMH или литий-ионными аккумуляторами. Можно четко заметить, что свинцовые и никелевые батареи становятся слишком тяжелыми при увеличении размера, чтобы обеспечить большее расстояние вождения. В этом отношении топливный элемент обладает теми же качествами, что и двигатель внутреннего сгорания, в том смысле, что он может преодолевать большие расстояния только с дополнительным весом топлива. 

Запас хода как функция накопления энергии
Рис. 2. Запас хода в зависимости от накопления энергии.

Логарифмические кривые мощности батареи накладывают ограничения по размеру и весу при увеличении расстояния между зарядками. Для сравнения, топливный элемент и двигатель внутреннего сгорания имеют линейную прогрессию.

Примечание: резервуар для водорода 35 МПа относится к давлению 5000 фунтов на квадратный дюйм; 70 МПа - 10 000 фунтов на кв. Дюйм

Предоставлено Международным журналом водородной энергетики.

Хотя топливный элемент выполняет функции двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, из-за плохого времени отклика и слабого диапазона мощности требуются бортовые аккумуляторы. В этом отношении автомобиль FC напоминает электромобиль с бортовым силовым агрегатом для поддержания заряда аккумуляторов. Батарея является ведущей, а топливный элемент становится ведомым. При запуске автомобиль на 100 процентов полагается на аккумулятор, а топливный элемент начинает вносить свой вклад только после достижения устойчивого состояния в течение 5-30 секунд. Во время прогрева аккумулятор также должен обеспечивать питание для включения воздушного компрессора и насосов. В теплом состоянии FC обеспечивает достаточную мощность для плавания, а при ускорении или подъеме на холм питание обеспечивается как FC, так и аккумулятором. Во время разрушения кинетическая энергия возвращается для зарядки аккумулятора. 

FC автомобиля среднего размера вырабатывает около 85 кВт или 114 л.с., и мощность передается на электродвигатель аналогичной мощности. Емкость бортового аккумулятора составляет около 18 кВт, он обеспечивает отклик на газ и усилитель при проезде транспортных средств или при подъеме на холмы. Батарея служит буфером, аналогичным HEV, и не подвергается стрессу из-за многократных глубоких циклов и быстрой зарядки, как в случае с электромобилем. 

Водород стоит примерно в два раза дороже бензина, но высокая эффективность FC по сравнению с двигателем IC в преобразовании топлива в энергию дает такой же чистый эффект для карманного компьютера, за исключением меньшего количества парниковых газов и уменьшения загрязнения. 

Водород обычно получают из природного газа, и мы спрашиваем, почему бы не сжигать природный газ непосредственно в двигателе внутреннего сгорания вместо того, чтобы преобразовать его в водород с помощью установки риформинга, а затем преобразовать его в электричество в топливном элементе для питания электродвигателей? Ответ - эффективность. Сжигание природного газа в турбине внутреннего сгорания для производства электроэнергии имеет коэффициент полезного действия всего 26-32 процента, тогда как использование FC составляет 35-50 процентов. Мы должны помнить, что оборудование, необходимое для чистого FC, намного дороже и требует дополнительного обслуживания, чем просто использование процесса обжига. 

У нас нет водородной инфраструктуры, и ее строительство непосильно. Строительство заправочных станций, перерабатывающих природный газ в водород для обслуживания 2300 автомобилей, обошлось более чем в 2 миллиона долларов. Для сравнения, розетка для зарядки электромобиля стоит меньше 1000 долларов, но время заправки будет больше, чем у FC. Между тем у нас есть множество заправок, которые предлагают быструю заправку дешевым топливом. 

Прочность и стоимость - другие проблемы, связанные с топливным элементом, и здесь мы увидели некоторые обнадеживающие улучшения. Срок службы ТК в автомобиле, эксплуатируемом в условиях нормального движения, увеличился вдвое с 1000 часов до 2000 часов. Цель на 2015 год - 5000 часов, или полный срок службы автомобиля, проехавшего 240 000 км (150 000 миль). Еще одна проблема - стоимость. Топливный элемент стоит значительно дороже, чем двигатель внутреннего сгорания, и до тех пор, пока не начнется массовое производство, сравнение цен нецелесообразно. В качестве простого ориентира, автомобили FC будут дороже, чем подключаемые гибриды, а подключаемый гибрид стоит дороже, чем обычный автомобиль с бензиновым двигателем. 

Вполне возможно, что топливный элемент никогда не станет предпочтительным двигателем, на что надеялись эксперты, и может быть сходство с неудачной попыткой управлять самолетами на паровом двигателе в середине 1800-х годов. Однако все хотят, чтобы топливные элементы преуспели, и однажды налогоплательщикам, возможно, придется заплатить, чтобы открыть рынки, подобно субсидированию электромобилей. Также возможно, что в будущем правительства могут санкционировать использование топливных элементов по экологическим причинам. Топливные элементы также могут стать предпочтительным источником энергии, когда запасы ископаемого топлива станут опасно низкими. Между тем, мы надеемся, что разработка топливных элементов продолжится и станет заменой загрязняющему двигателю внутреннего сгорания.