Элементы с прямым
окислением метанола/этанола являются
одним из вариантов реализации
элементов с ионообменной мембраной.
Топливом для DMFC-элементов служит
водный раствор метилового/этилового
спирта (метанола/этанола). Необходимый
для реакции водород (и побочный
продукт в виде углекислого
газа) получается за счет прямого
электроокисления раствора метанола/этанола
на аноде:
CH3OH (C2H5OH) + H2O = CO2 + 6H+ + 6e.
На катоде происходит
реакция окисления водорода с образованием
воды:
3/2O2 + 6H+ + 6e = 3H2O.
Рабочая температуры
DMFC-элементов составляет примерно
120 °С, что немного выше по сравнению с
водородными элементами. Недостатком
низкотемпературного преобразования
является более высокая потребность в
катализаторах. Это неизбежно приводит
увеличению стоимости таких топливных
элементов, однако данный недостаток компенсируется
удобством использования жидкого топлива
и отсутствием необходимости в применении
внешнего конвертора для получения чистого
водорода. Топливные элементы фосфорной
кислоты более терпимы к примесям топлива,
генерирующего водород, чем другие ТЭ,
но менее мощны, учитывая тот же вес и объем.
Метаноловая и этаноловая
топливные технологии являются относительно
новыми по сравнению с другими топливными
элементами на базе чистого водорода.
Проблемы и перспективы
использования топливных элементов в
автомобильной промышленности
Одно из главных
препятствий, связанное с использованием
водорода в автомобилях, - это
возможность его хранения. Водород
может храниться в виде сжатого
газа, в виде криогенной жидкости
или в виде гидридов металлов.
Тары для газообразного водорода
очень объемны; количество, которое
может в них хранится, зависит
от топливной эффективности и
требуемой области действия (обычно
емкость соответствует 300 милям или
500 км). Для того чтобы достичь
лучшего сочетания между вместимостью
тары для хранения, топливной
эффективностью автомобиля и
его областью действия, необходимы
дальнейшие улучшения в дизайне
машины, представления новых облегченных
по весу композитных материалов
или возможности сжатия водорода
до давления 700 бар.
Трудность хранения
водорода внутри автомобиля, так
же как и отсутствие водородной
инфраструктуры, заставила производителей
автомобилей отказаться от их
массового производства в пользу
автомобилей с более удобным
в применении топливом. В этом
случае ТЭ должен быть интегрирован
с топливным процессором, который
производит водород из бензина
или метанола (процесс риформинга).
Однако, независимо от выбранного способа,
внутренний риформинг увеличивает многочисленные
инженерные проблемы:
- уменьшает общую эффективность
системы двигателя, которая приводит
к увеличению размера ТЭ,
- увеличивает сложность,
размер, вес и стоимость системы
двигателя,
- для запуска топливного
процессора на практике требуется
слишком много времени (эту проблему
можно избежать с использованием
гибридной конфигурации),
- срок жизни протон-проводящей
мембраны напрямую зависит от степени
очистки водорода.
Многие производители
автомобилей совершенствуют свои
собственные разработки протон-проводящей
мембраны для использования их в своих
автомобилях, например, компания Honda в модели
автомобиля FCX Clarity (Рис.3.),
компания General Motors вCherolet на основе
ТЭ - модели Volt и Equinox, компания Volkswagen в
ТЭ-моделяхTouran и Tiguan.
Рис. 3. Honda FCX Clarity -
первый в мире серийный автомобиль на
топливных элементах.
Компания Toyota Motor планирует
уже в 2015 г. начать мировые продажи транспортных
средств на водородных ТЭ. Однако предполагается,
что годовой объем продаж не превысит
нескольких тысяч «автомобилей будущего».
Причина скромных планов заключается
в высокой стоимости технологической
новинки. Алан Юттенховен (Alain Uyttenhoven) вице-президент
компании Toyota Europe ожидает, что в Европе
транспортное средство на топливных элементах Toyota Prius будет
продаваться в розницу приблизительно
за 100 000 евро.
Организация ZERO, занимающаяся
продвижением низко-эмиссионных (или
с нулевым уровнем выбросов) автомобилей
в Норвегии, в апреле 2012 г. провела демонстрационный
проект, проехав на двух гибридных
электромобилях на топливных элементах HyundaiiX35 из Осло
в Монте-Карло (2260 км), используя только
водородные заправочные станции.
В то время как
первые автомобили на основе
ТЭ базируются на особенном
дизайне ТЭ, все другие получают
заменой системы обычного двигателя
(ДВС) на систему ТЭ. Единственная
компания среди большинства автопроизводителей
- компания BMW -развивает дополнительный
энергетический блок на основе твердо-оксидных
ТЭ (SOFC) для модели BMW 7-ой серии класса «люкс».
В настоящее время
автомобили на основе ТЭ, в
силу того, что они все еще
являются недоразвитой технологией
и находятся пока на уровне
прототипов, значительно дороже
автомобилей с ДВС, массово производимых
в мире. Однако, прогнозы, представленные
производителями автомобилей, показывают,
что ценовая конкурентная способность
может быть достигнута к 2014-2016
гг. Основные компоненты ТЭ, определяющие
его высокую стоимость, являются
катализатор (платина или сплавы
на ее основе), ионная мембрана
(NаFion или другой фтор-полимер) и графитовые
биполярные пластины. Целевая стоимость
для автомобилей на основе ТЭ сравнима
с текущей стоимостью автомобилей с ДВС,
т.е. $35-$50/кВт, и требует увеличения экономии
при массовом производстве заготовок
и улучшения характеристик в ключе «Ватт/единица
активной площади».
В то же время
сценарий развития технологии
ТЭ для автомобилей остается
позитивным, большинство производителей
по всему миру приближаются
к релизу парка из сотни
ТЭ-автомобилей, как вышедшая новая модель
автомобиля Honda на основе ТЭ в 2008 г. в Калифорнии.
Водород – единственный
вид топлива, позволяющий производить
низко эмиссионные автомобили, особенно
если водород при этом производится
из возобновляемых источников. Использование
водорода как транспортного топлива
может уменьшить зависимость
от нефти, мировые запасы которой
ежегодно существенно уменьшаются.
Система ТЭ, использующая чистый
водород, - относительно простая, она имеет
лучшие характеристики, более эффективно
работает и обладает самой длительной
продолжительностью работы. Также, несмотря
на свою репутацию, водород абсолютно
нетоксичен, и его использование достаточно
безопасно. Исследования,
проведенные под руководством доктора
Майкла Свэна (Dr Michael Swain) в Университете
Майами (США)показали, что автомобиль на
водородном топливе в отличие от автомобилей,
использующих в качестве топлива природный
газ, при возгорании двигателя не подвержены
распространению огня на весь автомобиль.
Также одним из
сдерживающих факторов для развития
ТЭ-технологий является высокая стоимость
катализаторов, позволяющих повысить
конверсию химических реакций. Катализаторы,
используемые в ТЭ, представляют зачастую
дорогостоящую платину в чистом виде или
ее сплавы, что определяет высокую цену
всего ТЭ-устройства. Кроме того, по ряду
причин (недостаточная очистка топлива,
неполное окисление топлива (CO), примеси
серы) возможно загрязнение платина-содержащих
катализаторов. Эти вопросы должны быть
решены для того, чтобы облегчить использование
топливных элементов для любых приложений.