Эффективность топливных элементов

Наши исследования показывают, возможность значительного уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды. Это позволит использовать водород и кислород, получаемый из воды для получения электрической энергии.

Сейчас считается, что основным потребителем водорода будут топливные элементы. Обусловлено это тем, что в результате экологически чистого процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе получается самая распространенная экологически чистая электрическая энергия. Главная проблема в этом деле – высокая стоимость топливных элементов.

Стоимость 1 кВт мощности, производимой топливным элементом более тыс. долл. Стоимость же 1 кВт мощности, производимой бензиновым эквивалентом, – 3-5 долларов. Это – главная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на данном этапе её освоения. В целом, достижения в области разработки топливных элементов значительны.

Ячейка топливного элемента представляет собой (рис. 76) ёмкость с двумя электродами и разделительной мембраной, на которую нанесён катализатор (платина). К одному электроду подаётся водород, а к другому – кислород. Катализатор разделяет молекулы водорода на электроны и протоны. Протоны проникают через мембрану в ту половину ёмкости, где находится кислород, а электроны идут в электрическую сеть, соединенную с кислородным электродом. Здесь электроны и протоны вновь соединяются и образуют атомы водорода, которые соединяются с кислородом и образуют воду.

Чем больше катализатор разделит атомов водорода на протоны и электроны, тем эффективнее идет процесс синтеза электрической энергии. Однако, расчеты показывают (мы уже привели их), что современные катализаторы разделяют на электроны и протоны лишь около 0,6 % атомов водорода. Фактически это и есть прямой коэффициент полезного действия топливного элемента.

Рис. 76. Схема работы твёрдотопливного элемента

Однако, разработчики топливных элементов определяют коэффициент полезного действия топливного элемента по другому. Они делят энергию, получаемую с помощью водорода на энергию, затрачиваемую при получении водорода из воды. В этом случае получается косвенный коэффициент полезного действия топливного элемента; он достигает 70% и более. Конечно, это неплохой показатель, но надо иметь в виду, что 99,4% атомов водорода в этом случае не участвуют в формировании электрического тока. Из этого следует важная задача разработчиков топливных элементов – увеличение их прямого коэффициента полезного действия

Эффективность процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе и - формирования электрической энергии изучены слабо. В докладе [26] приводятся характеристики одного из топливных элементов. При расходе водорода 2кг/час он генерирует 30 кВтч электрической энергии. Поскольку один кубический метр газообразного водорода весит 90 г., то в 2 кг жидкого водорода содержится 2/0,09=22,2 газообразного водорода. Учитывая, что для получения 1 водорода лучшие промышленные электролизёры расходуют 4 кВтч и принимая эту величину энергии за 100%, получаем энергетический коэффициент полезного действия (КПД) топливного элемента

. (100)

В источнике информации [27] сообщается, что КПД топливных элементов третьего поколения с твердым электролитом близок к 50% и что использование технологии топливных элементов позволяет повысить КПД по электроэнергии до 75%, а с учетом вырабатываемого ими тепла - до 90-95% [32].

Обратим внимание на факт, который остаётся незамеченным специалистами по топливным элементам. Эффективность топливных элементов зависит, прежде всего, от эффективности использования электрических возможностей самого водорода. Если учесть количество электронов, принадлежащих атомам водорода и участвующих в формировании электрической энергии топливного элемента, то эффективность физико-химического процесса этого элемента оказывается менее 1%. Проведем этот расчет для топливного элемента, описанного в докладе [26]. Он генерирует 30кВтч электроэнергии при расходе 2 кг (2/0,09=22,2 ) жидкого водорода в час. Поскольку моль газообразного водорода равен 22,4 литрам, то для выработки 30 кВтч электрической энергии надо израсходовать 22222,22/22,4=992,06 молей молекулярного водорода [32].

Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества

Кл/моль. (101)

Если все протоны 992,06 молей молекулярного водорода передадут свои электроны в электрическую сеть топливного элемента, то в результате сформируется Кулонов электричества. Это потенциальные возможности 22,2 молекулярного водорода. Как же используются эти возможности современными топливными элементами?

Рассматриваемый топливный элемент работает при напряжении 100 Вольт, поэтому при выработке 30кВтч в его электрической цепи циркулирует ток 30000/100=300 Ач. При 1 Ампер-часе расходуются 3600 Кулонов электричества, а при 300Ач - 1080000,0 Кулонов. Если потенциальное количество Кулонов электричества, содержащихся в 22,2 водорода (191437818,2 Кулонов), взять за 100%, то реальное количество Кулонов электричества, генерируемое топливным элементом, составит [32]

. (102)

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!

Главная причина очень низкой (0,57%) электрической эффективности топливного элемента - подача в него молекулярного водорода. Есть все основания надеяться, что минимум десятикратное увеличение этой эффективности - дело ближайшего будущего.

Специалистам, занимающимся исследованиями топливных элементов, следует обратить внимание на важность анализа воды, получаемой в результате их работы. Мы уже показали, что молекулы воды могут содержать как все 10 электронов (заряженная вода, рис. 50), так и 8 электронов (разряженная вода, рис. 74). Если вода чистая (без примесей), то должна существовать разница в весе одного литра заряженной и разряженной воды, которую можно легко обнаружить. Чем больше в воде, образовавшейся после работы топливного элемента, разряженных молекул, тем эффективнее используются в нем энергетические возможности водорода.

Приведенные расчеты показывают, что энергетические возможности водорода в топливных элементах используются пока лишь примерно на 0,6%. Увеличение этого показателя в 10 раз будет эквивалентно переходу на водородную энергетику во всех сферах человеческой деятельности[9].

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!

Японские исследователи, зная результаты наших теоретических и экспериментальных исследований и имея неограниченное финансирование, уже реализовали процесс получения электричества из воды. Владея нашей информацией, они смогли подобрать материалы электродов, которые реализуют описанный процесс не в топливном элементе, а в электролизёре (рис. 77).

Таинственную связь с японцами, мы подробно описали в своей книге «История научного поиска и её результаты». 2-е издание. Краснодар 2007. 418 с.

Конечно, если бы мы имели регулярное и достаточное финансирование, то смогли бы достичь результатов, полученных японцами, этого не произошло, поэтому мы выражаем благодарность таинственному японцу, который основательно поддержал нас материально в лихую годину перестроечных неурядиц.

Рис. 77. Фото японского электролизёра получающего электричество из воды

Эту технологию реализовала японская компания Genepax Co Ltd. Новые топливные элементы, разработанные компанией, названы "Water Energy System (WES).

На конференции Genepax демонстрировало топливную батарею с выходной мощностью 120 Ватт и топливную систему с выходом в 300 Ватт. Во время демонстрации 120 Ваттный топливный элемент был запущен в работу водяным насосом от сухой батареи. После того, как энергия начинает производиться топливным элементом, система переходит в пассивный режим с выключенным водяным насосом.

В настоящий момент топливная батарея выдает на выходе напряжение в 25-30 В. Всего в батарее около 40 топливных элементов по 0.5-0.7 В в каждом. Энергетическая плотность не менее чем 30мВт/см2. Площадка, на которой в каждом элементе происходит реакция составляет 10X10 см.

Genepax изначально планировало развивать 500 ваттные системы, но испытало трудности в обеспечении материалами для МЕА, что привело к фокусированию на производстве, прежде всего 300 ваттных систем.

В будущем, компания планирует производить одно киловатные системы для использования в домах и электрокарах. Вместо того, чтобы использовать чисто электрические машины, компания предлагает использовать МЕА, как генераторы для зарядки второй батареи во время езды. Конечно, начальные достижения японцев выглядят пока скромно, если учесть, что отделение от каждой молекулы воды одного электрона позволяет получить из каждого литра воды 1489,1 Ач. У обычных автомобильных аккумуляторов средняя величина этого показателя равна 60 Ач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детальный анализ процесса электролиза воды и его источника питания показал наличие значительных резервов в снижении затрат энергии на этот процесс и результаты испытаний первых лабораторных моделей подтвердили этот прогноз.

[1] Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества Кл/моль.