Топливные элементы
В последние годы, частично, в связи ростом цен на нефтепродукты, частично, из экологических соображений растёт интерес к топливным элементам, способным превращать энергию химических реакций непосредственно в электрическую. Этому способствуют и последние достижения в разработке как самих топливных элементов, так и в их использовании. Аппарат, призванный перевернуть представление людей о заоблачных ценах на «космические технологии» и водородное топливо, называется Riversimple Urban Car (RUC) или просто «Риверсимпл». Разработала его одноимённая британская компания. Основатель Riversimple и лидер проекта – Хьюго Споуэрс (Hugo Spowers), предприниматель и инженер, 15 лет занимавшийся постройкой гоночных автомобилей и реставрацией автораритетов.
«Риверсимпл» (справа – электрическая схема).
В новой машине он постарался по максимуму реализовать два важных принципа: борьбу с лишним весом и повышение энергетической эффективности. Потому этот двухместный аппарат весит 350 килограммов (благодаря кузову из композитных материалов и предельному снижению массы всей начинки). Но и КПД топливных элементов сам по себе неплох – 50%, что много выше, чем у бензинового ДВС. Результат же впечатляет: это авто способно пройти более 300 – 320 километров, использовав всего... 1 килограмм жидкого водорода! А поскольку в баке помещается несколько больше, предельный запас хода «Риверсимпла»  может достичь 386 км. Но «Риверсимпл» не одинок.
Хонда
Начат выпуск Honda FCX Clarity – весьма крупного (свыше 1,6 тонны) и комфортного автомобиля на топливных элементах, о серийном выпуске которого говорили ещё в 2006-м году. Выпуск начат, но он – фактически штучный. Топливные элементы Clarity развивают 100 киловатт, столько же потребляет электромотор.  На одной заправке она может пройти около 400 км (баллоны вмещают 3,92 кг водорода).

Honda FCX Clarity. Поставляется эта машина в лизинг – примерно за $600 в месяц
Тойота
Корпорация Toyota Motor Corporation (TMC) 6 июня 2008 г. объявила о том, что она сконструировала топливоэлементный гибридный автомобиль, на котором применена новейшая батарея топливных элементов Toyota FC Stack с высокими эксплуатационными характеристиками. На автомобиль, получивший название TOYOTA FCHV-adv, 3 июня с. г. Министерством землеустройства, инфраструктуры и транспорта Японии был выдан сертификат типа наземного транспортного средства. Стандартным блоком батареи топливных элементов Toyota FC Stack является мембрано-электродная сборка (МЭС).
Мерседес
Mercedes запускает топливные элементы в серию. Спустя восемь лет после открытия концепт-студии NECAR 1, концерн «Даймлер-Крайслер» представляет первые автомобили на новых топливных элементах, парк которых будет введён в эксплуатацию и испытан на практике покупателями в Европе, США, Японии и Сингапуре. Речь идёт о 30 городских автобусах Citaro, которые были поставлены в 2003 году на транспортные предприятия десяти крупных европейских городов, а также о 60 автомобилях Mercedes-Benz A-класса „F-Cell“.
Концерн планирует развивать собственное производство топливных элементов для электроавтомобилей. Уже принято решение о строительстве производственных мощностей в Канаде вблизи города Ванкувер. Создание производства топливных элементов позволит Mercedes наладить полный цикл от исследований и разработок до серийного производства ключевого элемента любого автомобиля с электрическим приводом. Завод по производству топливных элементов будет построен к концу 2012 года, после чего будет налажено серийное производство топливных элементов. Предполагается, что новые топливные элементы будут обладать большим ресурсом и меньшими размерами. Новые топливные элементы будут использоваться в гибридных автомобилей Mercedes F-Cell.
Другие транспортные средства
Новый японский состав NE-train (точнее – небольшой моторный вагон для пригородных линий) начал испытания на железных дорогах Страны Восходящего солнца. Хотя большая часть линий в Японии электрофицирована, остаются участки, на которых пока работают дизель-электрические локомотивы. Теперь им на замену пришла машина с нулевым выхлопом. Электромоторы этого поезда питаются от двух 65-киловаттных водородных топливных элементов. Они, в свою очередь, соединены с водородными баллонами. При торможении энергия поезда частично возвращается в аккумуляторные батареи, позволяя дольше двигаться на одной заправке. Поезд NE-train является проектом компании East Japan Railway, которая работает над ним в сотрудничестве с рядом промышленных гигантов.
Собственно, проект не нов. Ранее East Japan Railway уже выводила на рельсы вагон с точно таким же именем – NE-train. Но тогда это был дизель-электрический гибрид, способный двигаться как с включённым дизель-генератором, так и на одних аккумуляторах. Новый NE-train, де-факто, тот же самый аппарат. Но теперь инженеры удалили из него дизель и заменили ДВС на топливные элементы, а место баков для солярки заняли баллоны с водородом. Пока водородный NE-train лишь проходит испытания.
ОАО «РЖД» получено разрешение на использование передвижной энергетической установки на водородных топливных элементах, сообщила пресс-служба компании со ссылкой на слова президента РЖД Владимира Якунина. «Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ выдала разрешение на применение передвижной установки с химическими генераторами на водородно-топливных элементах, созданного ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ» – дочернее общество ОАО «РЖД»), – сообщил В. Якунин. По его словам, вагон с энергетической установкой на водородных топливных элементах для работы в тоннелях – энерговагон ВНИИЖТ – это уникальная разработка в области экологии и энергосбережения и не имеет аналогов в мире.
Разработка ОАО «ВНИИЖТ» впервые представлена на проходившем 7–10 сентября 2011 года III Международном железнодорожном салоне «ЭКСПО 1520». Энергоустановка вагона не имеет никаких вредных выбросов, в отличие от используемых дизельных установок, которые создают в тоннелях высокую задымленность. Водородные топливные элементы являются экологически чистым источником энергии, так как при их работе выделяются только пар и дистиллированная вода.
Энергетическая установка создана на базе четырех электрохимических генераторов на щелочных топливных элементах «Фотон», которые первоначально были разработаны для питания космических кораблей и спутников (РКК «Энергия»). Для питания генераторов используются водород и кислород, хранящиеся в 650-литровых баллонах под давлением 15 МПа. Запас водорода составляет 105 кг, кислорода – 842 кг, чего хватает на восемь дней работы установки при проведении путеремонтных работ. Среднеэксплуатационный КПД энергоустановки составляет 78%.
Энерговагон ВНИИЖТ разделен на пять отсеков для хранения газов и размещения оборудования. Отсеки разделены между собой пожаростойкими перегородками. Две энергонезависимые системы безопасности контролируют утечку газов при помощи 16 датчиков различных типов и в случае опасности перекрывают магистрали подачи газов, включают звуковую и световую сигнализацию. В случае возникновения взрывоопасной ситуации автоматически включается система флегматизации, которая заполняет отсеки вагона азотом. Отсеки энерговагона оснащены вентиляторами, обеспечивающими постоянный воздухообмен с внешней средой. Электронная система позволяет управлять энергоустановкой в автоматическом режиме, без оператора.
На вооружение ВМФ ФРГ поступили подводные лодки проекта 212А – U-31. Главной их конструктивной особенностью является гибридная силовая установка, объединяющая традиционный дизель-электрический привод и водородно-кислородные топливные элементы, с помощью которых лодка перемещается почти бесшумно на малых скоростях. Всего в лодке установлены девять топливных элементов мощностью 30-50 кВт каждый. При необходимости быстрого передвижения в качестве источника энергии используются свинцово-кислотные аккумуляторы, заряжаемые от дизель-генератора.

Подводная лодка проекта 212А – U31 на испытаниях
Проект этого типа подлодок был разработан совместно специализированными конструкторскими центрами ФРГ, Италии и Норвегии и является наиболее масштабной модернизацией подводного флота Германии с 1970-х годов. По мнению германских военных специалистов по оперативно-тактическим характеристикам новые подлодки сравнимы с атомными субмаринами и могут быть использованы в акваториях северо-восточной Атлантики, Норвежском, Баренцевом и Средиземном морях.
На сегодняшний день субмарина класса 212А является самой мощной подлодкой с неатомной энергетической установкой. Кроме того, уже ведётся строительство усовершенствованных подлодок проекта 214. Помимо Германии субмарины поступят на вооружение флотов и других европейских стран-членов НАТО.
Это первые ласточки, которые ещё не делают весну. Весна начнётся по двум направлениям:
  • разработке дешёвого и безопасного промышленного способа хранения водорода;
  • разработке надёжного промышленного топливного углеводородного (предпочтительно, бензинового) элемента.
    • Новый вариант сохранения водорода и выпуска его по требованию относительно лёгкий и при этом намного более безопасный, чем сжатый газ или криогенная жидкость, разработали учёные из университета Южной Калифорнии. Как и целый ряд исследователей до них, калифорнийские новаторы обратились к борану аммиака. Это безопасное в хранении соединение, из которого можно «вытягивать» водород для топливных элементов. Американские химики разработали каталитическую систему, которая извлекает достаточно водорода из борана аммиака, чтобы сделать его пригодным для использования в качестве источника топлива. Новый катализатор на базе рутения оказался способен выделять до 4,6% водорода по массе из концентрированной суспензии борана аммиака. Причём катализатор этот стабилен в течение многих циклов дегидрирования борана и сохраняет свою активность при контакте с водой и воздухом.
    Однако, это хотя и перспективный, но не самый эффективный путь. Действительно, зачем придумывать химические соединения для хранения водорода, когда природа уже придумала углеводороды! Тем более, что для борана аммиака и других подобных соединений нужно создавать инфраструктуру выработки, транспортировки и заправки, тогда как для углеводородов она уже есть!
    Поэтому будущее, по крайней мере, в транспорте, за топливными элементами на углеводородах, а вот большая энергетика, возможно, будет построена на водородных топливных элементах.  Теперь несколько слов об истории и современном состоянии топливных элементов, их классификации, специфике и свойствах.
    История
    Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект – электролизёр вырабатывал электрический ток. Впервые идея использования ТЭ в энергетике была сформулирована немецким учёным В. Освальдом в 1894 году. После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твёрдым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.
    В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа). С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов. После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы.
    Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон». Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом. Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объём исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике. Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют «Янус». Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.
    В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году. Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов. Во время работ над программой «Буран» исследовались щелочные топливные элементы. На «Буране» были установлены десятикиловаттные топливные элементы.
    В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году. В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а в багажном отделении – баки со сжатым водородом.
    Типы топливных элементов
    Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из топлива путем электрохимической реакции. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций.
    Топливные элементы вырабатывают электричество путём бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду. Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции в электролите и на поверхностях катода и анода в присутствии катализатора. Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны.
    На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости). Так работают водородные топливные элементы. Однако, в настоящее время разработано много иных топливных элементов, использующих другие виды топлива.
    Сейчас топливные элементы (ТЭ) классифицируются  и по электролиту,  и по виду топлива.
  • Топливные элементы на расплавленных карбонатах.
  • Фосфорно-кислотные топливные элементы.
  • Топливные элементы с мембраной обмена протонов.
  • Твёрдооксидные топливные элементы.
  • Твёрдополимерные метанольные топливные элементы.
  • Элементы на щелочном электролите.
  • Полимерные электролитные топливные элементы.
  • Твёрдокислотные топливные элементы.
    • Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ).
    Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора, топливные газы с низкой теплотворной способностью, топлива производственных процессов и из других источников. Этот процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надёжность.
    В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьирует в пределах 60-80%.
    Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определённые преимущества. При высоких температурах происходит внутренний реформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных конструкционных материалов, таких как листовая нержавеющая сталь, и никелевого катализатора на электродах. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.
    Однако применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Такие характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
    Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).
    Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Этот процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.
    Топливные элементы на основе фосфорной кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты мала при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон).
    КПД топливных элементов на основе ортофосфорной кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления. Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе ортофосфорной кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов.
    В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Кроме того, этот тип элементов работает с природным топливом, так как СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимуществами этого типа топливных элементов. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
    Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
    Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, который способен заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
    В качестве электролита в этих топливных элементах используется твёрдая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая плёнка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны. Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берётся из воздуха, подаётся к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду.
    По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объёме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и лёгкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
    Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твёрдое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твёрдого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твёрдого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведёт к большей долговечности элемента и его компонентов.
    Твёрдооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
    Твёрдооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьировать от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твёрдый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-).
    Технология использования твёрдооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую. Твёрдый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке.
    Носителем заряда в топливных элементах такого типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ионы кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом.
    Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.
    КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления.
    Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%. Так как твёрдооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Зато при таких высоких рабочих температурах не нужен преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет ТЭУ работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п.
    Такой топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
    Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
    Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено их будущее применение.
    Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих по внешней цепи, с образованием воды на аноде.
    Разработка этих топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и благодаря другим недавним нововведениям была увеличена удельная мощность и КПД до 40%. Проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C.
    Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством этого типа топливных элементов являются небольшие габариты и отсутствие преобразователя.
    Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
    Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%. В щелочных топливных элементах электролитом служит водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С.
    Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло.
    Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы – самые дешёвые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешёвых, чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов – такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.
    Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них служат топливом, вредны для ЩТЭ.
    Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
    В случае полимерных электролитных топливных элементов мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+  (этакий свободный радикал воды).
    Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
    Твёрдокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
    В твёрдокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Как правило, твёрдокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твёрдокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
    Таблица 1. Характеристики наиболее распространённых ТЭ
    Тип элемента
    Рабочая температура
    Эффективность
    Тип топлива
    Установки
    РКТЭ
    550–700°C
    50–70%
    Большинство углеводородов 
    Средние и большие
    ФКТЭ
    100–220°C
    35–40%
    Водород
    Большие 
    МОПТЭ
    30–100°C
    35–50%
    Водород
    Малые
    ТОТЭ
    450–1000°C
    45–70%
    Большинство  углеводородов
    Малые, средние, большие
    ПОМТЭ
    20– 90°C
    20–30%
    Метанол
    Переносные 
    ЩТЭ
    50–200°C
    40–65%
    Водород
    Космос
    ПЭТЭ
    30–100°C
    35–50%
    Водород
    Малые 
    Современное состояние
    Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230°С на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде. Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).
    Одна из таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена ещё в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчётным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% – это близко к современным крупным ТЭС. Время её пуска из холодного состояния – от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.
    Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах. Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га.
    Теперь для новых станций с мощностью, в два с половиной раза большей, нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Расчётный срок службы новых электростанций – 30 лет. Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700°С. Их аноды делают из спечённых частиц никеля и хрома, катоды – из спечённого и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.
    Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы: Ещё эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твёрдых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура – до 1000°С. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твёрдого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.
    В США фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твёрдых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт, работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.
    В создание ТЭ включается всё больше фирм во всем мире. 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. Производимую ими продукцию можно классифицировать по мощности:
    ТЭ для электроники

    По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы
    Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка 100 мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера.
    Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.
    Fujitsu  в 2004-м году представила элемент, действующий на 30% водном растворе метанола. Этот топливный элемент работал на одной заправке в 300 мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт.
    Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H2 и CO2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 ч.
    Samsung в 2004-м году демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука.
    Smart Fuel Cell (немецкая компания ) продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Устройство называется Smart Fuel Cell C25, имеет габариты 150x112x65мм и может выдавать до 140 ватт-часов на одной заправке. Этого достаточно для питания ноутбука в течение 7 часов.
    ТЭ средней мощности
    Plug Power LLC разработала установку на топливных элементах мощностью 7 кВт для энергоснабжения дома.
    Н Power выпускает используемые на транспорте зарядные агрегаты для аккумуляторов мощностью 50-100 Вт.
    Intern. Fuel Cells LLC выпускает установки для транспорта и персональные источники питания мощностью 50-300 Вт.
    Analytic Power разработала по заказу армии США персональные источники питания мощностью по 150 Вт, а также установки на топливных элементах для домашнего энергоснабжения мощностью от 3 до 10 кВт.

    Энергоустановки компании Horizon
    На Урале впервые в России разработаны, изготовлены и успешно испытаны в течение 1 года непрерывной работы энергосистемы мощностью 1-2,5 кВт на ТОТЭ трубчатой конструкции без применения драгметаллов. Здесь также разработаны ключевые технологии, позволяющие реализовать изготовление трубчатых ТОТЭ на основе нанопорошков с повышенными значениями удельной мощности (более 0,6 Вт/см2). Такой элемент будет основой батареи ТОТЭ для энергоустановок класса мощности 0,25-10 кВт.
    Мощные ТЭ
    Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твёрдых оксидах с 1958 г. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько МВт.
    Engelgurd (американская фирма) проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт, работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.
    Ballard Power Systems (канадская) выпускает целый ряд стационарных генераторов мощностью от 1 до 250 кВт. При этом, киловаттные генераторы рассчитаны на то, чтобы сразу снабжать одну квартиру электричеством, теплом и горячей водой.

    Электрохимические энергоустановки на основе твёрдополимерных водород-воздушных топливных элементов мощностью от 1 до 100 кВт уже сегодня являются коммерческим продуктом.

    Энергоустановка PC-400 компании UTC
    Российские разработчики ТЭ
    В 1994 году ОАО «СКБК» разработало проект комбинированной ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭТО и концевым парогазотурбинным циклом. В 1997 году ОАО «СКБК» под руководством главного конструктора энергоустановок на базе топливных элементов В.Б. Авакова разработало принципиально новый тип ЭХГ на основе ТЭТО с неразделённым газовым пространством, работающих на метановоздушной смеси.
    В 2005 году в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики (РФЯЦ ВНИИТФ, г. Снежинск) был разработан и изготовлен модуль батарей ТЭТО мощностью до 2 кВт. Основой модуля являлся трубчатый ТЭТО с несущим электролитом и сконструированная на его базе батарея. Единичный ТЭТО представлял собой пробирку из стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония диаметром 10 мм, с толщиной стенки 0,5 мм. Материалом анода являлся кермет, состоящий из никеля и диоксида циркония, а в качестве катодного материала использовался манганит лантана-стронция. Батарея состояла из 8 ТЭТО, электрически и по газам соединенных параллельно. Модуль батарей был скомпонован из 4 блоков по 18 батарей в каждом, общее количество ТЭТО – 576 штук. Рабочая температура ТЭТО – 950ОС, расход водорода 2 нм3/ч, воздуха 17 нм3/ч.
    В режиме максимальной мощности коэффициент использования топлива достигал 86%. Начиная с 2007 года ситуация с господдержкой разработок ЭЭУ с ТЭТО коренным образом изменилась. Работы по созданию энергоустановок на основе ТЭТО для станций катодной защиты газопроводов, а также ЭЭУ, работающей на биогазе, включены в состав комплексного проекта, предусматривающего также разработку ЭЭУ С ТПТЭ для стационарных применений, в Федеральную целевую программу «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы».
    Головной исполнитель комплексного проекта – ФГУП «ЦНИИ СЭТ», основной исполнитель работ по ЭЭУ с ТЭТО – РФЯЦ ВНИИТФ. Привлекательность внедрения ЭЭУ с ЭХГ на основе ТЭТО состоит, помимо всего прочего, в том, что они могут использоваться как в виде самостоятельного источника электрической энергии и теплоты, так и в составе комбинированных (гибридных) энергоустановок и систем (совместно с ЭЭУ на базе ДВС, ГТУ и т.п.).
    Корпорация «ТВЭЛ» уделяет большое внимание развитию наукоёмких производств новых и перспективных керамических материалов и востребованных рынком изделий из них. В настоящее время в ОАО «ЧМЗ» (ОАО «Чепецкий механический завод» –  дочернее предприятие корпорации «ТВЭЛ») существует единственный в России опытный участок по производству диоксида циркония, порошков для плазменного напыления, изделий из твёрдых электролитов. Существующие производственные мощности загружены полностью. Исследования рынка показали необходимость расширения производства диоксида циркония, в том числе и стабилизированного, а также изделий из него.
    Комплексная программа развития корпорации «ТВЭЛ» до 2020 года предусматривает существенное увеличение производства и расширение номенклатуры выпускаемой продукции. Для решения этих задач в ОАО «ЧМЗ» имеются ресурсы, сырьевая база, квалифицированный научно-исследовательский и технологический персонал с достаточным опытом работы в данном направлении. Корпорация «ТВЭЛ» готова вкладывать значительные финансовые ресурсы в перспективные проекты, закупку оборудования, воспроизводство и наращивание кадрового потенциала отрасли, создание новых рабочих мест, а также в НИР и НИОКР.
    Достоинства и недостатки топливных элементов
    Основным  достоинством ТЭ, безусловно, является упрощение передачи энергии: не нужны редукторы, всякого рода валы и трансмиссии, что особенно существенно в транспорте. В конечном счёте, чем меньше масса «тары», к которой относится и масса самого транспортного средства, тем эффективнее процесс транспортировки. Экологическая выгода ТЭ, по сути, прямой результат полноты использования энергии топлива, а в этом отношении ТЭ вне конкуренции.
    Водородные топливные элементы
    В типичном водородном элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250°С) и высоком давлении.
    Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами. В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух.
    Общий недостаток – необходимость создания инфраструктуры и конкуренции с уже существующей инфраструктурой углеводородных топлив. Однако, специфическая инфраструктура нужна в том случае, когда хранится, транспортируется и распределяется водород как таковой. Если же найти способ его хранения в концентрированном виде при обычных условиях, проблемы существенно упрощаются.
    Такой способ на основе борана аммиака предложили в 2011 году исследователи из университета Южной Калифорнии. Боран аммиака – безопасное в хранении соединение, из которого можно «вытягивать» водород для топливных элементов. Американские химики разработали каталитическую систему, которая выпускает достаточно водорода из борана аммиака, чтобы сделать его пригодным для использования в качестве источника топлива. Новый катализатор на базе рутения оказался способен выделять до 4,6% водорода по массе из концентрированной суспензии борана аммиака. Причём катализатор этот стабилен в течение многих циклов дегидрирования борана и сохраняет свою активность при контакте с водой и воздухом.
    В университете Орегона разработан ещё один способ хранения водорода в легко перестраиваемом соединении на основе бор-азот-метилциклопентана (BN-methylcyclopentane). В отличие от целого ряда предыдущих исследований, по большей части сосредоточенных на твёрдых материалах, накапливающих H2, новый состав работает в жидком виде. Это означает, что данное вещество можно заливать в бак так же, как бензин, и фактически на тех же самых АЗС. При этом бор-азот-метилциклопентан сам не является топливом, но при соприкосновении с катализатором – хлоридом железа – состав выпускает газообразный водород, оставаясь всё время в жидкой фазе.
    Подобные работы ведутся во всём мире, хотя хорошо известны природные «накопители» водорода – различные углеводороды от пропана до бензина, для которых инфраструктура уже есть. Более того, по «ёмкости» углеводороды намного опережают новейшие разработки. В самом деле, из борана аммиака извлекают менее 5% водорода, остальное – балласт. Примерно таким же «кпд» обладает и бор-азот-метилциклопентан. А тот же октан, даже если использовать из него только водород, даст более 15%. А ведь в них и углерод может «пойти в дело», в отличие от азота и бора.
    Элементы на углеводородном и угольном топливах.
    Топливные элементы, которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом интенсивного исследования, выгодно отличаясь возможностью использования уже существующих структур.
    Однако пока не достигнуто заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре. Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в пористую керамическую матрицу. Топливо «расщепляется» внутри элемента с образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание токообразующей реакции в элементе.
    Перспективы развития
    Одним из перспективных типов ТЭ являются ТОТЭ (англ. SOFC) с керамическим оксидным электролитом из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Такие топливные элементы позволяют превращать химическую энергию топлива в электрическую с коэффициентом полезного действия свыше 50%. Использование стабилизированных нанопорошков диоксида циркония в производстве ТОТЭ даёт целый ряд преимуществ (что в итоге приводит к сокращению удельных затрат стоимости вырабатываемой энергии), а именно: Американцы испытали прототип крохотного устройства, которое генерирует электроэнергию напрямую из бензина, минуя реформинг топлива и промежуточные стадии преобразования его химической энергии. Подобные топливные элементы уже появлялись, но Эрик Ваксман (Eric Wachsman) и его коллеги из центра энергетических исследований университета Мэриленда (UMERC) сумели изменить конструкцию так, чтобы она оказалась больше приспособлена к установке на автомобиль.
    Речь идёт о твёрдооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Этот тип электрохимических генераторов способен переваривать широкий спектр углеводородного горючего без необходимости извлечения водорода. Однако существующие ТОТЭ довольно громоздки, и потому применяются в основном в стационарном амплуа, например как резервные генераторы в зданиях. Кроме того, ТОТЭ работают при очень высоких температурах (порядка 800-900°C), а это вызывает сложности с теплоизоляцией, особенно важной в случае работы на борту автомобиля.
    Ваксман с коллегами путём подбора керамического электролита и оптимизации дизайна ячейки сумели снизить её рабочую температуру до 650 °C. В частности, авторы исследования сократили толщину керамического слоя с сохранением прочности всей конструкции. Они поработали и над микроскопической структурой электролита и электродов. Более того, по информации Technology Review, учёные намерены развить этот проект, снизив нагрев элемента до очень низких (для данного класса устройств) 350 °C. Это уже позволит без проблем устанавливать подобный генератор в автомобиле. Тем более что новая система вышла у изобретателей весьма компактной.

    Набор топливных ячеек (упакованных в «бутерброд») представляет собой квадрат со стороной 10 сантиметров
    Производительность опытного устройства достаточна для работы в качестве «расширителя дальности пробега» гибридного автомобиля (удельная мощность каждой пластинки составила около двух ватт на квадратный сантиметр – выдающийся параметр для ТОТЭ). Поэтому Ваксман считает, что улучшенные ТОТЭ смогут со временем заменить ДВС в гибридах, предлагая больший КПД, чем у традиционного двигателя.
    Ещё одним направлением (правда, пока речь может идти только о питании микроэлектроники) представляют «микробные» ТЭ. В Научно-исследовательской лаборатории ВМС США (NRL)  разрабатывают перспективную технологию микробных топливных элементов (MFC), которую можно использовать на небольших роботах. Сейчас специалисты ONR ведут исследование организмов, которые в процессе метаболизма могут вырабатывать слабое электричество. В частности, в реке Потомак были обнаружены бактерии Geobacter. Селекцией удалось вывести штамм Geobacter, который способен вырабатывать на порядок больше электричества, чем его естественный предок. По предварительной оценке, микробная топливная ячейка сможет работать несколько лет без необходимости её заменять.
    Но не всё так радужно: низкая мощность и недостаточная стабильность ограничивают практическое применение микробных элементов питания. А мощность микробной топливной ячейки зависит, прежде всего, от анода, который ассоциирован непосредственно с микроорганизмами.
    Для хорошего анода очень важна площадь поверхности, на которой могли бы разместиться бактерии. Мезопористый TiO2 обладает огромной поверхностью, является биосовместимым, стабильным и экологически безопасным. К сожалению, низкая проводимость TiO2 не позволяет аноду выдавать высокую мощность. Положение можно исправить, модифицировав анод из мезопористого TiO2 полианилином (PANI), который характеризуется высокой проводимостью, стабильностью и простотой синтеза.
    Такой композитный анод PANI/TiO2 был создан в Сингапуре. Экспериментально установлено, что лучшие показатели даёт анод, содержание PANI в котором составляет 30% (по массе). Производительность композитного анода PANI/TiO2 изучали (на E.coli) в электрохимической ячейке, состоящей из двух камер, разделённых протон-проводящей мембраной. Анод был погружен в 0,1 М фосфатный буфер, содержащий 55 мМ глюкозы, 5 мМ 2-гидрокси-1,4-нафтохинона и клетки E.coli (109 мл-1); электролит катода состоял из 0,1 М фосфатного буфера и 50 мМ [Fe(CN)6]3-.
    В течение первых 48 часов мощность ячейки возрастала (благодаря размножению бактерий), а затем выходила на плато и оставалась практически неизменной в течение 450 часов без дополнительного введения глюкозы или других питательных веществ. Через 500 часов после внесения клеток в электрохимическую ячейку мощность резко падала из-за истощения запасов глюкозы. Максимальная мощность такой ячейки составила 1,495 Ватт/м2 (при этом плотность тока равна 3,650 А/м2, напряжение 0,41 В). Это в два раза превосходит мощность, которая достигалась в бактериальных топливных ячейках прежде, и это сильно вдохновляет исследователей. Путь довольно интересный, но глюкозу вряд ли можно считать легко доступным и дешёвым горючим, да и колонии кишечной палочки чувствительны к температуре и т.п.
    Другим путём развития ТЭ, по-видимому, может быть решение проблемы катализа в низкотемпературных топливных элементах  использованием природных катализаторов – ферментов. В проекте «Исследования и разработка неплатиновых электрокатализаторов для водородного электрода топливных элементов и электролизёра на основе иммобилизованных ферментов», которым занимаются ученые химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с Федеральным государственным учреждением Российский научный центр «Курчатовский институт» предлагается использовать ферменты в качестве альтернативных электрокатализаторов для водородных электродов.
    Такому шагу предшествовали долгие годы серьёзных исследований. Идея самого проекта, а именно – использование ферментов в качестве катализаторов в топливных элементах, является абсолютно приоритетной разработкой российских учёных. Первые работы в этом направлении были выполнены в конце 1970-х – начале 1980-х гг. в МГУ при сотрудничестве с Институтом электрохимии им. А.Н. Фрумкина (в настоящее время это Институт физической химии и электрохимии). Первые статьи по водородной тематике были опубликованы российскими учеными в начале 1980-х гг.
    Ферменты, ответственные в природе за образование Н2, получили название «гидрогеназ». Ферменты-гидрогеназы являются уникальными и единственными эффективными неплатиновыми катализаторами для водородной реакции. В последнее время поток научных работ в области топливных ферментных электродов резко увеличивается. Гидрогеназы являются продуктами жизнедеятельности особых микроорганизмов, и для их производства используются современные методы генетической инженерии и биохимии. Однако они являются полностью возобновляемым биотехнологическим продуктом, поэтому при наращивании объёма производства цена ферментов стремительно снижается.