Паливний елемент (англ.fuel cell) — електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. На відміну від традиційних електричних акумуляторів, де відбуваються аналогічні перетворення, паливні елементи мають дві важливі особливості:
1) вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окислювач надходять із зовнішнього джерела;
2) хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати.
Назва «паливний елемент» аж до 1969 року вважалась умовною.[1]
Можливі різні варіанти комбінацій палива та окиснювача. Так, водневий паливний елемент використовує водень як паливо та кисень (зазвичай з повітря) як окислювач. Також паливом можуть слугувати вуглеводні та спирти, а окислювачами повітря, хлор, оксид хлору.[2]
Історія
Уперше про можливість створення паливних елементів повідомив у 1839 р. англійський аматор у галузі фізико-хімії, товариш Майкла ФарадеяВільям Гроув[3]. Спостерігаючи процес електролізуводи в розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовнішнього струму в електролітичній комірці генерується постійний струм. Однак ці висновки В. Гроува тоді не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохімічний пристрій він, за пропозицією М. Фарадея, назвав «газовою батареєю». Назву «паливний елемент» цей пристрій одержав лише через 50 років, завдяки Людвігу Монду.
Не вдалося реалізувати й ідею знаного фізико-хіміка Вільгельма Оствальда (1894 р.) щодо генерації електричної енергії у паливному елементі з вугілля, а також винайдений російським ученим Павлом Яблочковим (1887 р.) воднево-кисневий паливний елемент, результати інших досліджень і численних винаходів.
Інтерес до паливних елементів знову відродився на початку 1950-х після публікації 1947 р. монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового інституту ім. І. М. Губкіна О. К. Давтяна[4].
Бум навколо водневої енергетики виник за часів активного освоєння космічного простору. У 60-ті роки були створені паливні елементи потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у 80-ті — 10-кіловатні для «Шаттла» та радянського «Бурана». У ті самі роки побудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно-кислотних паливних елементах. В Японії та США є дослідні 10-мегаватні електростанції. Від 90-х років і донині триває розробка паливних елементів потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, тепер розробляються портативні джерела електроенергії (потужність менше 100 Вт) для комп'ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт — метанол, з якого одержують водень.
Принцип дії
Принцип дії паливних елементів заснований на хімічній реакції
окиснювача і палива, в результаті якої безпосереднім шляхом отримують електроенергію.[5] Подібну реакцію можна спостерігати при згорянні палива у спеціальних печах, проте в паливних елементах окисно-відновна реакція не супроводжується виділенням диму та полум'я. Реагенти, якими часто використовують водень і кисень, із заданою швидкістю подають від спеціальних насосів до електродів, занурених в електроліт з розчину їдкого калію.[6] Електроди, які зазвичай виготовляють з нікелю, в реакції не беруть участь, і тому вони не вимагають постійних замін.[7] На негативному електроді, до якого подають відновник водень, утворюються електрони. Навколо позитивного електрода, до якого підводять окисник кисень, виникають іони.[8]
Використання і випробування
В паливних елементах іде процес, зворотний електролізу. При цьому хімічним шляхом з'єднується водень і кисень з виділенням енергії і утворенням води. У процесі беруть участь: електроліт (фосфорна кислота, ККД до 85%), тверді оксиди (ККД 60%), лужні елементи, метанол (ККД 40%) і каталізатор. Електроліт оточений двома електродами, на катод надходить кисень, а на анод — водень. Проходить випробування паливних елементів на твердому оксиді на автомобілях потужністю 100 кВт в Європі і 25 кВт в Японії.
Паливні елементи на фосфорній кислоті широко використовуються в лікарнях, готелях, школах, на терміналах в аеропортах.[9]
Цей напрямок розробляє досить багато фірм. Проте, такі автомобілі дуже дорогі: вартість експериментального легкового автомобіля становить від $200 тис. до $1 мільйона.[10]
Японська фірма Genepax розробила автомобіль з двигуном на водневому паливі, в бак якого заливається вода. 1 л води вистачає щоб проїхати 80 км.[10] Силова установка такого з паливних елементів мембранного типу, а вартість такого автомобіля поки $1 мільйон.[10]. Але поширена також думка, що це шахрайство на кшталт вічного двигуна.
Під егідою НАТО готується науковий проєкт «Zero Emission SOFCs Operating on Methane Hydrates for Energy Security» з використанням паливних елементів, розроблених в Україні для отримання електроенергії з газогідратів Чорного моря.[11] В ньому будуть брати участь наукові колективи зі США, Росії, України, Азербайджану, Білорусі.
Дослідження ефективності використання паливних елементів в якості бортового джерела електроенергії бойових машин проводяться Командуванням сухопутних військ США з розвитку бойових спроможностей (United States Army Combat Capabilities Development Command,
CCDC)[12]
та іншими державами-членами НАТО.
↑Рогинский В. Современные источники электропитания. — Л.: «Энергия», 1969. С. 104
↑S. G. Meibuhr, Electrochim. Acta, 11, 1301 (1966)
↑W.R. Grove. Philos. Mag.— 1839. — 14. — Р. 127—129
↑Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в энергетическую. — М.: Изд-во АН СССР, 1947. — 237 с.
↑Рогинский В. Ю. Электропитание радиоустройств. — Л.: Энергия, 1970. — 320 с, ил. (с. 263)
↑Грумбина А. Б. Электрические машины и источники питания электронных устройств: Учебник для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 368 с, ил. (с. 294)
↑Грумбина А. Б. Электрические машины и источники питания электронных устройств: Учебник для техникумов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 368 с, ил (с. 295)
