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)