Ячейка водородная – начало большого пути / Toshiba corporate blog / Habr

начало большого пути / Toshiba corporate blog / Habr

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер h3One генерирует до 2 м

3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м³ водорода станции требуется до 2,5 м³ воды.

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы h3One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

habr.com

Водяная топливная ячейка Мейера

Экология познания. Наука и техника: Ячейка Мейера – устройство, расходующее малое количество электрической энергии, и производящее из обыкновенной воды большое количество водородно-кислородной смеси (газ Брауна).

Очевидно, что изобретатель из США Стэнли Мэйер разработал электрическую ячейку, которая позволяет разделять обыкновенную водопроводную воду на водород и кислород с гораздо меньшей затратой энергии, чем требуется при обычном электролизе. 

Демонстрации проводились и прежде профессором Michael Laughton, Dean из Engineering при Колледже Королевы Mary, Лондон, Адмирал Сэр Anthony Griffin, бывший командующий британским Флотом, и Д-ром Keith Hindley, английским химиком-исследователем. Ячейка Мэйер, сделанная дома изобретателем в Grove City, Огайо, производила гораздо больше водородо-кислородной смеси, чем могло ожидаться при простом электролизе. 

В то время как обычный элекролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйер производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; ячейка Мэйер действует при огромной производительности с чистой водой.

Согласно очевидцам, самым поразительным аспектом клетки Мэйер было то, что она оставалась холодной даже после часов производства газа.

Эксперименты Мэйера, которые он счел возможными представить к патентованию, заслужили серию патентов США, представленные под Секцией 101. Представление патента под этой секцией зависит от успешной демонстрации изобретения Патентному Рецензионному Комитету.

Клетка Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что она работает при высоком потенциале и низком токе лучше, чем другие методы. Конструкция проста. Электроды — отсылаем заинтересовавшихся к Мэйеру — сделаны из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние 1.5 мм дает хороший результат.

Значительные отличия заключаются в питании ячейки. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки, — чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 81, — чтобы создать параллельную резонансную схему. Она возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигаеся точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться.

Химик-исследователь Keith Hindley предлагает следующее описание демонстрации ячейки Мэйера: «После дня презентаций, Griffin комитет засвидетельствовал ряд важных свойств WFC (водяная топливная ячейка, как назвал ее изобретатель).
 

Группа очевидцев независимых научных наблюдателей Великобритании свидетельствовала что американский изобретатель, Стэнли Мэйер, успешно разлагает обыкновенную водопроводную воду на составляющие элементы посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого всего лишь милиамперами. Зафиксированный выход газа был достаточным, чтобы показать водородно-кислородное пламя, которое мгновенно плавило сталь.

По сравнению с обычным сильноточным электролизом, очевидцы констатировали отсутствие какого-либо нагревания ячейки. Мэйер отказался прокомменировать подробности, которые бы позволили ученым воспроизвести и оценить его «водяную ячейку». Однако, он представил достаточно детальное описание американскому Патентному Бюро, чтобы убедить их, что он может обосновать его заявку на изобретение.

Одна демонстрационная ячейка была снабжена двумя параллельными электродами возбуждения. После наполнения водопроводной водой, электроды генерировали газ при очень низких уровнях тока — не больше, чем десятые доли ампера, и даже милиамперы, как заявляет Мэйер, — выход газа увеличивался, когда элекроды сдвигались более близко, и уменьшался, когда они отодвигались. Потенциал в импульсе достигал десятков тысяч вольт.

Вторая ячейка содержала 9 ячеек с двойными трубками из нержавеющей стали и производила намного больше газа. Была сделана серия фотографий, показывающая производство газа при милиамперном уровне. Когда напряжение было доведено до предельного, газ выходил в очень впечатляющем количестве.

«Мы обратили внимание, что вода вверху ячейки медленно стала окрашиваться от бледно-кремового до темно-коричневого цвета, мы почти уверены в влиянии хлора в сильно хлорированной водопроводной воде на трубки из нержавеющей стали, использованные для возбуждения».

Он продемонстрировал производство газа при уровнях милиампер и киловольт.

«Самое замечательное наблюдение — это то, что WFC и все его металлические трубки остались совершенно холодные на ощупь, даже после более чем 20 минут работы. «Раскалывающий молекулы» механизм развивает исключительно мало тепла по сравнению с элекролизом, где элекролит нагревается быстро.»

 

 

Результат позволяет рассмотреть эффективное и управляемое производство газа, которое быстро возникает, и безопасно в функционировании. Мы ясно увидели, как увеличение и уменьшение потенциала используется, чтобы управлять производством газа. Мы увидели, как поток газа прекращался и начинался вновь, соответственно когда напряжение на входе было выключено и вновь включено.»

«После часов обсуждения между собой, мы заключили, что Steve Мэйер явился, чтобы изобрести совершенно новый метод для разложения воды, которая обнаруживала некоторые черты классического элекролиза. Это подтверждается тем, что его устройства, реально работающие, взятые из его коллекции, удостоверены американскими патентами на разные части WFC системы. Так как они были представлены под Секцией 101 Патентным Бюро США, аппаратура, включенная в патентах, проверена экспериментально экспертами американского Патентного Бюро, их вторыми экспертами и все заявления были установлены.

» Основной WFC подвергался трехлетнему испытанию. Это подняло предоставленные патенты до уровня независимого, критического, научного и инженерного подтверждения того, что устройства фактически работают, как описано.»

Практическая демонстрация ячейки Мэйер’а является существенно более убедительной, чем псевдо-научный жаргон, который использован для объяснения. Изобретатель лично говорил об искажении и поляризации молекулы воды, приводящему к самостоятельному разрыву связи под действием градиента электрического поля, резонанса в пределах молекулы, который усиливает эффект.

Не считая обильного выделения кислорода и водорода и минимального нагревания ячейки, очевидцы также сообщают, что вода в внутри ячейки исчезает быстро, переходя в ее составные части в виде аэрозоли из огромного количества крошечных пузырей, покрывающих поверхность ячейки.

Мэйер заявил, что у него работает конвертер водородно-кислородной смеси в течение последних 4 лет, использующий цепочку из 6 цилиндрических ячеек. Он также заявил, что фотонное стимулирование пространства реактора светом лазера посредством оптоволокна увеличивает производство газа.

Дополнительные данные по водородной ячейке Мейера. Подключение.

Как упоминалось ранее, абсолютно очевидно принять все возможные меры предосторожности. «Гидрокси» газ производимый ячейкой – это смесь водорода и кислорода, смешанных в идеальной пропорции для рекомбинации в воду. Скорость фронта горения смеси в 1000 раз выше, чем скорость фронта горения паров бензина. Стандартные устройства часто просто не работают. Самое лучшее устройство защиты – бабблер (водный затвор). Он прост, легок в изготовлении и обслуживании.  Высота водного столба е менее 150мм.

 

 

 

 

В идеале бабблер должен иметь плотно закрывающуюся крышку, если газ внутри загорится ее должно мгновенно сорвать. Некоторые люди между бабблером и кейсом ставят специальный вентиль  – отсекатель, предотвращающий попадание большого давления обратно в ячейку.

 

 

Если вы намереваетесь использовать с двигателем внутреннего сгорания, тщательно отрегулируйте зажигание (Смотрите  дополнительный материал).

Электронная схема для насоса не критична. Подойдет любая, которая включает насос , когда вода не достигает датчика и выключает когда достигает .

Вполне подойдет данная схема:

 

 

Если вы хотите использовать установку для отопления или приготовления пищи, имеется проблема. Водород горит с температурой, которую не выдерживает ни один металл. Стэн Мэйер решил эту проблему и запатентовал решение. Данное описание поможет вам преодолеть эти трудности:

 

 

Газ 72 попадает в горелку через вентиль 35. Горящий газ поднимается по вертикальной трубе 63 и затягивает за собой наружный воздух через отверстия 70 и 13, которые имеют скользящую крышку для контроля подачи. В чашке 40 собирается некоторое количество сгоревшего газа и возвращается назад через трубу 45 и смешивается с горящими газами в колонке горения. Регулировка подачи сгоревшего газа – вентиль 42. Большое количество сгоревшего газа (водяного пара) подается назад, что понижает температуру горения. Электрическое зажигание 20 упрощает розжиг.

 

 

Настройка ячейки.

 

Выключите первый генератор 555. Отрегулируйте частоту второго генератора по максимальному выходу газа. Дэйв Лоутон нашел, что на его ячейке Мэйера резонансные точки были около 3кГц и 6кГц.

Включите первый генератор 555. Отрегулируйте по максимальному выходу газа. Регулировку производимого объема газа можно регулировать широтой импульса.

 

Схема превышает максимум эффективности по Фарадею на 300%. Дальнейшие эксперименты показали, что индукторы, используемые Стэнли Мэйером играют важную роль в дальнейшем повышении эффективности. Дэйв Лоутон предложил добавить два индуктора по 100 витков эмалированного медного провода 22 SWG (21 AWG) (это диаметр примерно 0.6- 0.7мм) на ферритовом стержне диаметром 9 мм  и длиной 25мм. Улучшенная схема:

 

Ферритовый стержень тот же (диаметр 9мм, длина 25мм.), провод тоже. Намотка бифилярная.  Использовать ферритовое кольцо – наилучшее возможное решение.  Трансформатор с бифилярной намоткой также  может быть намотан на любой ферритовый стержень любого диаметра и длины (по обновленным данным).

 

 

 

 

 

Дальнейшее развитие системы:

Когда мы производим гидрокси газ из воды, невозможно превысить Фарадеевский максимум без притока дополнительной энергии извне. Поскольку ячейка остается холодной, имеется большой объем производимого газа, что указывает на наличие этого эффекта. Сама идея захвата энергии из окружающего пространства базируется на очень коротком импульсе с идеальной, очень крутой характеристикой подъема и спада формы импульса. Эта дополнительная энергия называется «холодным электричеством», поскольку имеет характеристики отличные от обычного электричества. При прохождении через проводник последний нагревается и на нем «теряется» часть энергии в виде тепла. У холодного электричества противоположный эффект: проводник охлаждается в результате притока энергии извне. Ниже дано дальнейшее улучшение схемы. Заметьте, лампочка 12 вольт  10 Ватт ярко светится, ток потребления остался прежним, выход гидрокси не уменьшился!

 

 

 

Диоды Зенера  150 Вольт 10 Ватт- защита транзистора от пробоя на случай короткого замыкания.

econet.ru

Как работает ячейка Мэйера? Двигатель на воде.Где вымысел, а где правда?

В данной статье поговорим про историю появления ячейки Мэйера и подробно расскажем как работает ячейка Мэйера.

Прошло уже достаточно много времени, после изобретения двигателя на воде, или так называемой, «топливной ячейки» американца Стэнли (Стива) Мэйера (Мейера, или Майера) — как изобретателя только не называют. Кто случайно не знает, поясню: Ячейка Мейера – устройство, расходующее малое количество электрической энергии (фактически «на халяву»), и производящее из обыкновенной воды большое количество водородно-кислородной смеси. В попытках разобраться, как работает ячейка Мэйера, в настоящее время, «бьется» большое количество умов. Кто то, даже заявляет, что ему удалось реализовать этот «генератор водорода», но как то это делается украдкой, да и потом ничего не происходит: Мы, почему то не пересаживаемся на автомобили, работающие на воде, потому что их попросту нет. Я так же интересуюсь этой проблемой, проводил эксперименты с ячейкой Мэйера, поэтому предлагаю разобраться в этом вместе.

Как знать, может быть, мои советы Вам помогут, и вскоре Вы заявите, что Ваш автомобиль на воде поехал. Почему не я? В анналы истории я не рвусь, на ближайшие половину года — год основная моя работа занимает много времени и кроме того, у меня нет условий позволяющих воссоздать ячейку Мэйера в «ближайшее время». Что, по моему мнению, необходимо и как вообще работает ячейка Мэйера Мы с Вами будем разбираться вместе. Об этом, Вы прочтёте в последующих статьях.

---

Для того, кто желает увидеть видеоматериал сделанный самим Мэйером и его друзьями, тот может перейти на страничку Книги, программы и видеоматериал для бесплатного скачивания, на которой имеются ссылки на большое количество видеофильмов от демонстраций, до конференций, а также другой материал от автора Ячейки — Стенли Мэйера.

 

Перед изложением материала, хочу акцентировать внимание на следующем: Эксперименты с водородом чрезвычайно опасны, Вы осуществляете их на свой страх и риск! Скорость сгорания водорода на несколько порядков выше скорости сгорания любых других видов углеводородного топлива и их паров. А смесь водорода с кислородом — так называемая «Гремучая смесь» не просто горит, а взрывается с огромной силой. Учитывая определённые сложности в изготовлении установки по разложению воды на составляющие, я осознаю, что простой школяр установку сам не сделает. Поскольку Вы взрослые люди, за Ваши действия, я ответственности не несу, и кроме того, заявляю, что если Вы не имеете достаточных знаний, навыков и умений обеспечивающих Вашу безопасность, то категорически не рекомендую Вам заниматься практическим изготовлением установок по выделению водорода.

Настоящая статья предназначена для того, чтобы развеять Ваши фантазии и невежество, которые в бесчисленном количестве появляются на различных форумах. Смешно выглядят публикуемые на различных сайтах радиосхемы Ячеек Мэйера, которые должны расходовать минимум энергии для получения резонанса воды. Это грамотно исполненные схемы, на самом деле «работающие», но абсолютно все они работают по принципу обыкновенного Электролизёра! Какой резонанс, какое накопление? Полный бред !!!

 

Почему ячейку Мэйера сделал только он сам, а другие не смогли?

 

Начнём с того, что существует версия, которая не вызовет ни у кого её отрицания. В мире есть «очень маленькая» кучка людей с «очень огромными» возможностями, это – нефтяные магнаты – владельцы мировых запасов топлива. Им бы очень не хотелось терять свои миллиарды миллиардов, которые они практически «на халяву» кладут к себе в карман выкачивая «кровь Земли». Фактически они живут за счёт всего человечества. Это Вы и я исправно платим им большие деньги, заправляя свой автомобиль, за то, что по сути им не должно принадлежать. И для того, чтобы этот процесс наполнения карманов не останавливался, они предпринимают всё, чтобы никто не придумал альтернативный источник энергии, превосходящий нефтепродукты. Есть, конечно, Атом, но от него быстро «откидывают лапти», поэтому Атом для нефти не конкурент. У нефтяных баронов трудится не одна сотня смышленых мальчиков, в том числе и хакеров, которые «продвинутую» информацию из средств массовой информации, в том числе интернета удаляют. Эти мальчики о совести и о том, что из-за плохой экологии «человечество на грани вымирания» не задумываются, бароны им исправно платят за работу. Поэтому до нас доходят только вершки знаний, а истина находится в корешках. Мало того, необходимая информация подменяется ложной, используя которую, мы никогда ничего не создадим во благо человечества, если «хозяева мира» этого не захотят.

Да и вообще, надо соображать, двигатель на воде это — крах мировой экономической системы. Если цены на нефть резко упадут, произойдёт революция 1917-го года, только в мировом масштабе. Потому, что нефтедоллар определяет цены на другие товары. По началу, год — два будет переоценка всего, в магазинах ничего не будет, а на свалках «завал». Кто то может сказать, что это лирика в защиту «буржуев».

---

А теперь приступим к существу вопроса ! Как работает ячейка Мэйера ? Я проведу анализ того, что написано в статье «Вода вместо бензина», которая имеется в большом количестве экземпляров на разных сайтах. Отдельные моменты я буду опровергать, а интересные моменты статьи — выделять. Позже, я проанализирую на мой взгляд, действительно важные моменты статьи, которые указывают на то, что существует большая вероятность изготовления ячейки Мэйера своими руками. Стоит отметить, что патенты Мэйера написаны на «техническом» английском языке. Любой знаток «обыкновенного» английского языка не сможет правильно перевести его патенты на русский язык. Посетители сайта могут бесплатно скачать патенты Стэнли Мэйера с Депозита по ссылке. А мы, тем временем, приступаем к анализу «русскоязычного перевода»!

1. Обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйер производит тот же эффект при миллиамперах.

Оценим эту фразу с учётом большинства тех схем, которые появлялись в интернете. Прибор, который измеряет ток, потребляемый от источника тока – обыкновенный амперметр постоянного тока, а после амперметра никаких сглаживающих конденсаторов нет. Учитывая, что импульсы, поступающие на электроды ячейки, кратковременны и имеют большую скважность, то амперметр, в силу инерционности рамки должен показывать ток не больше одной десятой от реально потребляемого тока, а то и меньше.

2. Обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости, а ячейка Мэйера действует при огромной производительности с чистой водой.

Любой электролизёр с недистиллированной водой, при расстоянии между электродами 1-2 мм будет работать с огромной производительностью. Кроме того, в статье сначала пишется, что Мэйер использует водопроводную воду, а теперь пишут про чистую воду. Не соответствие. Вообще, у меня появилась мысль, что в статье много «полезного» вырезано, и много «запутывающего нам мозги» добавлено — это к слову о нефтяных баронах, и людях зарабатывающих на сенсациях.

3. Согласно очевидцам, самым поразительным аспектом клетки Мэйера было то, что она оставалась холодной, даже после часов производства газа.

При кратковременных импульсах – ничего поразительного.

4. Эксперименты Мэйера, которые он счел возможными представить к патентованию, заслужили серию патентов США, представленные под Секцией 101. Представление патента под этой секцией зависит от успешной демонстрации изобретения Патентному Рецензионному Комитету.

Мне приходилось представлять научную работу в известный Научно-исследовательский институт России (не буду его называть, чтобы, не принижать его авторитет, а он действительно авторитетный). В этой работе была куча недоработок, но она была высоко оценена. Её ещё потом отправляли на Всероссийский конкурс и за неё у меня даже медаль от министра образования есть. Работа была перспективной, но требовала времени, которого у меня не было, а сейчас она стала не актуальной. Кроме того, запатентовать можно что угодно. Мэйер, например, отдельно запатентовал свою ячейку и отдельно способ генерации водорода, отдельно патентовал и автомобильный двигатель на воде. Странный факт. Но может я не прав, и в Комитете сидели умные и внимательные мужи науки.

5. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки, — чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 81 (в других статьях — «около 5»), — чтобы создать параллельную резонансную схему. Она возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока.

Здесь, говорится о каком то, колебательном контуре. Догадайтесь, на какой из приведённых схем изображён колебательный контур, левой или правой, а может найдёте схему накачки? Судя по приведённым схемам, контуром тут не пахнет, да и схемой накачки тоже.

Поясню: Принцип работы колебательного контура предполагает разнополярный перезаряд ёмкости и индуктивности одна от другой, входящих в сам контур, а здесь, во первых мешает диод, во вторых вода ячейки-конденсатора должна быть как минимум дистиллированная, потому, что будет разряд через активное сопротивление воды. Подробно в статье «Колебательный контур. Резонанс«.

Схемы накачки энергии известных в радиоэлектронике устройств как минимум имеют накопительную линию, состоящую из нескольких конденсаторов и дросселей. Есть и более простой способ «накачки», но об этом позже мы обязательно поговорим. А здесь, вообще ничего нет, кроме устройства разряда – пластин ячейки, которые, препятствуют вообще какому либо накоплению. Мало того, накопление в известных системах происходит постепенно, а потом происходит кратковременный разряд. А здесь, описывается, что-то другое, совершенно не понятное классической науке.

 

6. Стэнли Мэйер, успешно разлагает обыкновенную водопроводную воду на составляющие элементы посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого всего лишь миллиамперами.

Смотри пункт 1.

7. Мэйер отказался прокомментировать подробности, которые бы позволили ученым воспроизвести и оценить его «водяную ячейку». Однако, он представил достаточно детальное описание американскому Патентному Бюро, чтобы убедить их, что он может обосновать его заявку на изобретение.

Совсем странный факт. Мэйер что, решил стать «водяным магнатом»? Почему отказался? Любитель носить патент, хвалиться его обложкой, но никому не показывать? Патент тогда ценен, когда его владелец получает от его реализации дивиденды!

8. Как заявляет Мэйер, — выход газа увеличивался, когда электроды сдвигались более близко, и уменьшался, когда они отодвигались.

В любом электролизёре при уменьшении расстояния между пластинами, производительность газа увеличивается.

9. Вторая ячейка содержала 9 ячеек с двойными трубками из нержавеющей стали и производила намного больше газа.

А вот на этот факт я прошу обратить внимание. Предполагаю, именно здесь кроется вся загадка ячейки.

10. Практическая демонстрация ячейки Мэйера является существенно более убедительной, чем псевдо-научный жаргон, который использован для объяснения.

Коперфильд тоже убедительно демонстрировал свои фокусы, а в качестве объяснений, так же как и Мэйер, использовал псевдо-научный жаргон (объяснял всё «магией»).

11. Изобретатель лично говорил об искажении и поляризации молекулы воды, приводящему к самостоятельному разрыву связи, под действием градиента электрического поля, резонанса в пределах молекулы, который усиливает эффект.

На это так же, как и в пункте 9, прошу обратить внимание, об этом поговорим позже.

12. Он также заявил, что фотонное стимулирование пространства реактора светом лазера посредством оптоволокна увеличивает производство газа.

При определённой частоте лазерного генератора, он действительно может усиливать резонанс молекул используя гармоники частот (деление и умножение).

13. Подбирают частоту импульсов, поступающих на конденсатор, соответствующую собственной частоте резонанса молекулы.

Написано одно, а представленные схемы и чертежи не способны работать на частоте резонанса молекул воды, но о возможности такой реализации тоже напишем позже (как по пунктам 9 и 11).

14. Повышающая катушка намотана на обычном тороидальном ферритовом сердечнике 1.50 дюйма в диаметре и 0.25 дюйма толщиной. Первичная катушка содержит 200 витков 24 калибра, вторичная 600 витков 36 калибра. Трансформатор обеспечивает повышение напряжения в 5 раз, хотя оптимальный коэффициент подбирается практическим путем.

При указанном количестве витков первичной и вторичной обмоток, напряжение повысится ровно в 3 (три) раза, а не 5 (пять), это скажет любой радиомастер. С таким описанием, Вы долго будете разбираться, как же работает ячейка Мэйера. О том, как рассчитывается коэффициент трансформации, можете прочитать в статье «Силовой трансформатор. Расчёт трансформатора«. А кто-то не знает, как работает трансформатор? Отвечу, это знает любой мастер: «Ууууууууууу…..».

15. Реальная вода обладает некоторой остаточной проводимостью, обусловленной наличием примесей. Идеально, если вода в ячейке будет химически чистой. Электролит к воде не добавляется.

Химически чистая вода это – дистиллированная вода! А сначала говорили о водопроводной!

16. Два концентрических цилиндра 4 дюймов длиной составляют конденсатор. Расстояние между поверхностями цилиндров 0.0625 дюйма.

Запоминайте размеры, мы к ним ещё вернёмся вместе с пунктами 9, 11 и 13.

17. Расчет резонансной частоты традиционный. Вторую индуктивность подстраивают в зависимости от чистоты воды так, чтобы потенциал, приложенный к воде, был постоянен.

Какой «традиционный» расчёт? Авторов статьи учили рассчитывать резонанс колебательного контура состоящего из конденсатора, катушки и полупроводникового диода? Таких «традиционных» контуров не бывает! Подробно о традиционных расчётах читайте в статье «Колебательный контур. Резонанс«. И вообще, под какую резонансную частоту подстраивать?

 

18. Внешняя трубка подгоняется под размер 3/4 дюйма 16 калибра (толщина стенки 0.06 дюйма), длиной 4 дюйма. Внутренняя трубка диаметром 1/2 дюйма 18 калибра (стенка 0.049 дюйма, это приблизительный размер для этой трубки, фактический калибр не может быть вычислен из патентной документации, но этот размер должен работать), 4 дюйма длиной.

Запоминайте размеры, мы к ним ещё вернёмся вместе с пунктами 9, 11 , 13 и 16.

19. Не указано, должна ли быть вода внутри трубки. Думается, что она там есть, но это совершенно не влияет на работу прибора.

А это как сказать, от этого может быть всё и зависит. Это у переписчика этой статьи не влияет! Вернёмся вместе с пунктами 9, 11 , 13, 16 и 18.

20. Частота не была напечатана, исходя из размера катушек и трансформатора, частота не превышает 50 Mhz. He упирайтесь в этот факт, это всего лишь моя догадка.

На основе чего автор догадывался о частоте, не превышающей 50 мегагерц? По парамерам катушек и трансформатора, без всяких вычислений, любой опытный радиолюбитель скажет, что частота не достигнет и 1 (одного) мегагерца. Автор статьи, как это он пишет сам, действительно попытался «догадаться», но получилось как в «Поле чудес» — играл но не угадал.

---

Теперь Вы, сами поняли, почему я сначала отнёсся к этой статье, как к очередному надувательству. Сейчас у меня противоположное мнение, но чтобы оно подтвердилось, необходимо всё «разложить по полочкам».

В следующей статье, мы с Вами «снимем с ушей лапшу» и раскроем то, что скрыто за выделенными в этой статье пунктами №№ 9, 11, 13, 16, 18, 19. А это именно то звено цепи загадок, которое нам предстоит раскрыть, чтобы ответить на вопрос: Как работает ячейка Мэйера?

meanders.ru

Cерийное будущее: Революционный пакет водородных топливных ячеек

16 июня 2008 года на новейшей сборочной линии завода в местечке Таканезава в часе езды от Токио компания Honda начала серийную сборку автомобиля на водородных топливных ячейках Honda FCX Clarity. Присутствовавший на торжественной церемонии открытия сборочной линии президент компании Такео Фукуи сказал: «Эта технология жизненно необходима для цивилизации. Honda будет стремиться к превращению водородных автомобилей в доступное и массовое средство передвижения»

Honda FCX Clarity

Принцип действия топливного элемента Основные компоненты водородной топливной ячейки — электроды, полимерная протонообменная мембрана, выполняющая роль твердого электролита, и катализатор. Водород под давлением поступает на поверхность анода, при этом он распадается на два иона и два электрона (катализатор ускоряет этот процесс). Электроны уходят во внешнюю цепь, образуя электрический ток, и попадают на катод. В это же время на катод также поступает кислород из воздуха, который рекомбинирует с ионами водорода, прошедшими через мембрану, и электронами из внешней цепи, образуя воду.

Компоновка энергетической установки Honda FCX Clarity позволяет реализовать и просторный салон, и вместительный багажник, и шасси с острой управляемостью

Электрический силовой агрегат FCX Clarity Соосная схема. Расположив главный трансмиссионный вал внутри полого ротора на постоянных магнитах, инженеры Honda смогли разместить двигатель, трансмиссию и систему охлаждения в едином корпусе

1999 Honda представляет первые прототипы водородных автомобилей FCX-V1 и FCX-V2

2002 Прототип FCX-V4 стал первым водородным автомобилем в истории, одобренным к коммерческому применению

2004 Штат Нью-Йорк становится вторым корпоративным покупателем водородных автомобилей Honda

2005 Honda представляет второе поколение модели FCX. Автомобиль передается в реальную семью Джона Спаллино

2007 На автосалоне в Лос-Анджелесе Honda представляет FCX Clarity с пакетом топливных ячеек V Flow Stack третьего поколения

2008 FCX Clarity становится первым серийным водородным автомобилем

Линия по сборке FCX Clarity на заводе в Таканезава напоминает скорее научную лабораторию, чем автозавод. Многие операции производятся в специальных сверхчистых помещениях. Сложнейший процесс изготовления топливных ячеек и последующий их монтаж в готовые пакеты осуществляются на предприятии Honda Engineering в местечке Хага. По словам руководителя Центра перспективных разработок Honda Кацуаку Умитцу, предприятие уже сегодня способно производить тысячи водородных автомобилей ежегодно, однако из-за слабого развития водородной инфраструктуры в течение ближайших трех лет выпустит лишь 200 экземпляров Honda FCX Clarity. Пока что каждая FCX Clarity обходится компании в $1 млн.

Умитцу уверен, что через несколько лет эта цифра будет снижена как минимум в десять раз, а в будущем водородные автомобили смогут стать доступными для массового потребителя.

На торжественной церемонии в Таканезава были названы первые пять счастливых обладателей FCX Clarity. Ими оказались голливудский продюсер Рон Йеркса, киноактриса Джейми Ли Кертис, бизнесмен и автолюбитель Джим Саломон, голливудская актриса Лора Хэррис и единственный в мире владелец водородной модели FCX предыдущего поколения Джон Спаллино.

Без детских болезней

Впервые водородная Honda FCX Clarity была показана осенью прошлого года на автосалоне в Лос-Анджелесе. Всем желающим японцы предлагали опробовать новинку на ходу, но во время тест-драйвов рядом не было ни одного технического специалиста Honda: вождение водородного FCX Clarity не требует никакого специального обучения и подготовки. Чтобы запустить силовую установку автомобиля, достаточно вставить ключ в замок зажигания и нажать кнопку Power. При этом из-под капота не доносится ни звука: о том, что машина готова к движению, сигнализируют лишь ожившие шкалы приборного щитка. Место тахометра на панели с объемным изображением занял индикатор мощности. Шар с голубоватой подсветкой в его центре информирует водителя о текущем уровне потребления топлива. Острая управляемость, ставшая визитной карточкой Honda, просторный салон, отменная шумоизоляция и даже качественная аудиосистема позволяют с уверенностью сказать — перед нами не лабораторный образец, а готовый к широкой продаже суперсовременный семейный автомобиль, нашпигованный новейшими электронными системами.

Реактор с глаз долой

По сути водородные автомобили на топливных ячейках — это электромобили. Ведь и в тех и в других движение осуществляется благодаря вращению электромотора. Разница лишь в источнике питания: электромобиль получает энергию от предварительно заряженного аккумулятора, а водородный — от пакета топливных ячеек, в котором при окислении водорода образуются электрическая энергия и вода.

Главным компонентом силовой установки и основным источником энергии FCX Clarity служит революционный пакет водородных топливных ячеек третьего поколения V Flow Stack. Инженерам компании удалось создать удивительно компактный и эффективный реактор — он в три раза легче пакета ячеек первого поколения, разработанного в 1999 году, почти втрое компактнее, а его удельная мощность увеличена в четыре раза. Если прежде проблема оптимального размещения пакета ячеек на шасси ставила дизайнеров в тупик, то сейчас небольшой металлический ящик размером с системный блок компьютера легко помещается в центральном тоннеле. В новом V Flow Stack газопроводящие каналы стали на 17% тоньше. Исходные газы проходят сквозь ячейки вертикально, сверху вниз: такая компоновка упрощает дренаж воды с генерирующих слоев ячейки, что крайне важно для устойчивого процесса генерации электроэнергии. Но что еще более важно, в дизайне пакета V Flow Stack для подвода рабочих газов на электроды и эффективного охлаждения ячеек применяются не прямые, как прежде, а волнообразные проводящие каналы.

На волне эффективности

Волнообразные каналы-сепараторы — критически важный элемент пакета, насчитывающего несколько сотен плоских топливных ячеек, собранных в виде сэндвича. Топливная ячейка состоит из двух электродов, разделенных пленочной электролитической мембраной, и двух диффузионных слоев, по одному на анод (водородный) и катод (кислородный электрод).

Каждая ячейка изолирована от других соседних ячеек разделительными слоями-сепараторами, пронизанными тончайшими волнообразными каналами, доставляющими на электроды водород и кислород. Отдельный вертикальный канал предназначен для отвода воды с поверхности электродов. Газопроводящие каналы в слое-сепараторе ориентированы вертикально, а горизонтальные волнообразные каналы системы охлаждения обвивают их, как волокна в ткани. Волнообразная форма на порядок увеличивает объем каналов и создает турбулентность газов, необходимую для их эффективного распределения по поверхности. Производительность ячеек в пакете V Flow Stack новой FCX Clarity на 10% выше, чем у ячеек предыдущего поколения.

Для нормальной работы ячеек критически важен стабильный температурный режим. Волнообразная форма каналов позволила вдвое уменьшить их количество. Если раньше на одну ячейку приходился один канал, то теперь один канал с охлаждающей жидкостью осуществляет отвод лишнего тепла сразу от двух ячеек. В результате японским инженерам удалось снизить размеры всего пакета на 20% по длине и на 30% по высоте. Эффективный вертикальный дренаж воды, образующейся во время реакции окисления водорода, позволил резко улучшить рабочие характеристики пакета при низких температурах. Новая FCX Clarity спокойно заводится при температуре -30°С, а время прогрева пакета до оптимальной рабочей температуры снизилось в четыре раза.

Фаршированный двигатель

Следующим шагом после улучшения эксплуатационных характеристик батарей стало усовершенствование двигателя — электромотора постоянного тока. За два года до этого инженеры Honda создали достойный агрегат для концептуального электромобиля EV Plus, и руководство проекта приняло решение использовать его модифицированную версию с соосной интегрированной трансмиссией на FCX Clarity.

Ротор на постоянных магнитах полый, внутри проходит главный вал трансмиссии. Количество магнитов снижено с 12 до 8, для повышения прочности конструкции внутри ротора установлено центральное ребро жесткости. Новые магниты обеспечивают на 20% лучший удельный крутящий момент и на 50% более высокую мощность узла, чем у стандартного электромотора EV Plus. Вал ротора получил новые опорные подшипники пониженного трения, что положительно отразилось на динамических свойствах мотора. Специалисты отмечают, что он отличается удивительно тихой и мягкой работой во всем диапазоне оборотов вплоть до 12 500 об/мин.

Соосное расположение мотора, компактной трансмиссии и преобразователя напряжения Power Drive Unit (PDU), отвечающего за изменение характеристик притока электроэнергии на силовую установку, позволило собрать все эти три элемента в едином корпусе с общей системой охлаждения. В итоге двигатель и трансмиссия новой FCX Clarity стали меньше на 16 см в длину и на 24 см в высоту в сравнении с аналогичным узлом предыдущего поколения. При этом максимальная мощность установки возросла на 20% и составила 134 л.с. Крутящий момент вызывает уважение даже у обладателей дизельных автомобилей — полноценные 256 Н•м с самых низких оборотов.

Энергетический запас

Концептуальная Honda FCX 2005 модельного года была оснащена двумя водородными баками, а новая FCX Clarity имеет только один. Но инженерам удалось увеличить его полезную емкость, снизив габариты на 24%. Отныне все вспомогательные узлы системы питания топливом — клапаны, редуктор и система контроля давления — находятся в едином корпусе. Количество деталей в системе питания снижено на 74%. Теперь компактный прочный бак из алюминия и карбона размещается за задними сиденьями автомобиля, сохраняя почти весь полезный объем багажного отделения. Максимальный пробег автомобиля на одном баке водорода составляет 450 км. На одном килограмме водорода FCX Clarity может проехать 116 км.

В прежних водородных моделях Honda использовала в качестве дополнительного источника и хранилища электроэнергии массивный блок ультра-конденсаторов, располагавшийся за спинкой задних сидений и занимавший почти половину багажника. Такое решение явно не годилось для серийного автомобиля. Для FCX Clarity впервые была разработана компактная и емкая литий-ионная батарея, которая легко размещается под задним сиденьем. Кроме того, она гораздо эффективнее ультраконденсаторов усваивает энергию, поступающую от системы рекуперации энергии торможения.

Сейчас почти 60% этой энергии возвращается в рабочий цикл. Аккумулятор обеспечивает питание электронных систем автомобиля, аудио- и климатической систем, но при необходимости хранящаяся в аккумуляторе энергия может быть использована для питания двигателя в условиях пиковых нагрузок. Его зарядка осуществляется с помощью системы регенеративного торможения: при замедлении автомобиля до 57% кинетической энергии возвращается в аккумулятор.

Уменьшение размеров силовой установки FCX Clarity, ее высокая удельная мощность вкупе с хорошей аэродинамикой кузова привели к снижению энергопотерь в виде образования избыточной тепловой энергии. Инженеры Honda решили объединить радиатор пакета топливных ячеек, радиатор системы охлаждения двигателя и радиатор климатической системы в единый узел с единственным вентилятором. Испытания показали эффективность такого решения. В итоге под капотом автомобиля было отвоевано целых 40% полезного объема.

Сам себе заправка

Один из главных аспектов использования водородных автомобилей — снижение вредных выбросов в атмосферу. Водородный автомобиль намного эффективнее бензинового и электрического аналогов. Топливная ячейка обладает КПД примерно 80%, но полученную энергию нужно еще превратить в кинетическую энергию вращения колес автомобиля. Электрический мотор и трансмиссия имеют такой же КПД — 80%. Таким образом, водородный автомобиль обладает теоретическим КПД 64%. Honda заявляет, что эффективность модели FCX Clarity равна 60%. Для сравнения, бензиновый автомобиль превращает в механическую работу всего 20−30% энергии, содержащейся в топливе. Электромобиль способен использовать чуть более 70% энергии аккумулятора.

Основное препятствие на пути массового применения водорода в качестве топлива для автомобилей — инфраструктура. Ситуация напоминает классическую дилемму: что было раньше — курица или яйцо? Продавать сверхдорогие водородные автомобили даже на приемлемых условиях лизинга, не имея развитой сети заправок, невозможно. Строить сеть заправок без водородного автопарка — рискованно. А вдруг сотни миллионов так никогда и не окупятся? С чего же начинать?

Компания Honda предлагает своим клиентам экспериментальную домашнюю электростанцию Home Energy Station, превращающую природный газ в тепло, электричество и водород для заправки автомобиля. С 2003 года одна такая экспериментальная установка функционирует в калифорнийском городке Торранс. В настоящее время создано уже четвертое поколение Home Energy Station, значительно более компактное и удобное, чем первые три. Домашняя электростанция полностью обеспечивает крупный индивидуальный дом электроэнергией и теплом, а при необходимости генерирует из природного газа водород для заправки автомобиля. Японцы намерены усиленно продвигать Home Energy Station на рынке, создавая первые точки роста для превращения водородных автомобилей из фантастики в реальность. И все же, если принять во внимание сложности, связанные с промышленным производством водорода, можно с уверенностью сказать: путь водородного автомобиля в массы будет нелегким.

www.popmech.ru

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.

Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:

• НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
• ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
• ТИШИНА – низкий уровень шумов
• УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
• АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
• ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
• НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
• ЭКОНОМИЧНОСТЬ — привлекательная совокупная стоимость владения
• ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.

Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.

Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.

На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.

Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.

Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.

При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.

Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.

Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.

Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.

Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:

• Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
• Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
• Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
• Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
• Узлы передачи по протоколу WiMAX

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:

1. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
2. Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
3. Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
4. Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.

Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.

Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.

Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

Эти энергосберегающие установки производят тепло для отопления помещений и подогрева воды, а также электроэнергию, которая может быть использована в доме и отведена назад в электросеть. Распределенные источники выработки электроэнергии могут включать фотогальванические (солнечные) элементы и ветровые микротурбины. Эти технологии на виду и широко известны, однако их работа зависит от погодных условий и они не могут стабильно вырабатывать электроэнергию круглый год. По мощности теплоэнергетические установки могут варьироваться от менее чем 1 кВт до 6 МВт и больше.

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.

На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.

Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.

Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.

1. Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
2. Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
3. Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
4. Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
5. Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
6. Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
7. Выход воды: отсутствует.
8. Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу

intech-gmbh.ru

как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Habr

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.

Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.

Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.

Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.

Источник

Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.

В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.

Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.

Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.

Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.

Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.

Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.

Водородные АЗС в 2019 году(источник)

Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

habr.com

На пороге водородной эры

: 15 Сен 2005 , По следам Великой Северной экспедиции , том 6, №3

Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым — водородом.

Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.

Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно — рассмотреть (конечно, не во всех аспектах — объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей…

— Какое топливо заменит уголь?
— Bода, — ответил инженер.
— Вода? — переспросил Пенкроф. — Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
— Да, но вода, разложенная на составные части, — пояснил Сайрес Смит. — Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия — таков непостижимый закон — следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга.
Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо: водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Hacтупит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей.

Ж. Верн, «Таинственный остров»

От водорода — к топливным элементам

И все-таки — почему именно водород? До сих пор основными источниками энергии служили ископаемые углеродсодержащие топлива (уголь, нефть, газ). При их сжигании углерод окисляется кислородом воздуха, образуя всем известный углекислый газ (СО₂). Многие считают, что именно он наравне с другими так называемыми парниковыми газами несет ответственность за потепление климата в последние десятилетия, грозящее нам экологическими катастрофами.

А что, кроме энергии, получается при соединении кислорода и водорода? Правильно — обыкновенная вода! Представьте себе автомобиль на водородном топливе — что может быть чище и безопаснее для окружающей среды? Единственное, но существеннейшее препятствие для использования водорода в качестве энергоносителя заключается в том, что в свободном состоянии его в природе практически НЕТ. Поэтому для создания водородной энергетики в первую очередь необходимы технологии, позволяющие наладить крупномасштабное производство водорода, а также его хранение и транспортировку. Второе, но не менее важное условие — создание промышленных энергоустановок нового поколения, в которых в качестве топлива будет использоваться водород.

Есть серьезные основания считать, что в XXI веке произойдет постепенное вытеснение ископаемых углеродсодержащих энергоносителей (уголь, нефть, газ) новым, экологически чистым — водородом. Впервые о водороде как энергоносителе и, тем самым, о водородной энергетике речь зашла в романе Жюль Верна «Таинственный остров». В ходе неторопливой беседы его основных действующих лиц великий француз уже в 1874 г. высказал смелую мысль, что в будущем человечество будет получать энергию из воды, разлагая ее на водород и кислород, а затем сжигая водород.
Как бы фантастически эта идея ни звучала, она не является столь безумной, как может показаться на первый взгляд. Давайте попытаемся в меру собственных сил и способностей продолжить беседу Смита и Пенкрофа, а именно — рассмотреть (конечно, не во всех аспектах — объять необъятное невозможно) состояние дел по водородной энергетике и топливным элементам как ее важнейшей составляющей

Но вернемся к водороду. Нелишне заметить, что водород и водородсодержащий газ (так называемый синтез—газ) традиционно широко применяются в различных отраслях экономики: химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, радиоэлектронной, даже в пищевой промышленности (например, гидрированием растительных масел получают твердые жиры, маргарины).

Что же касается новых применений водорода, то при добавлении водорода или синтез-газа к обычным топливам можно получить немалый выигрыш даже при использовании их в обычных двигателях внутреннего сгорания или в газовых турбинах. В результате такого «облагораживания» топлива увеличивается КПД работы энергоустановок и улучшается состав выбросов.

Один из отцов водородной энергетики, президент Международной ассоциации по водородной энергетике Т. Н. Везирогли (США) даже утверждал, что спустя несколько десятилетий мы будем называться «водородной цивилизацией». И для такого утверждения есть все основания. Так, в 2000 г. общее производство водорода составило примерно 50 Мт, а оптимистические прогнозы на 2100 г. дают цифры примерно в 20 раз больше! В этом месте вдумчивый читатель должен уже впасть в недоумение и спросить: откуда и каким образом эти мегатонны должны появиться, если практически весь водород на планете находится в связанном виде? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, познакомимся с тем, что скрывается за понятием топливный элемент.

Топливные элементы: «за» и «против»

Топливным элементом называют электрохимическое устройство, позволяющее превращать химическую энергию топлива в электроэнергию непосредственно, минуя процесс горения и механические преобразования типа сжатия и расширения. Помимо электричества топливный элемент, конечно, генерирует тепло.

Все типы топливных элементов устроены практически одинаково. Они представляют собой гальванические ячейки, в которых соответственно есть электролит и электроды — анод и катод. Электроэнергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне.

Если на анод топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом подавать топливо (например, водород), а на катод — воздух или кислород, то на аноде будет протекать реакция разложения водорода на протоны и электроны. Протоны переносятся через электролит к катоду, где соединяются с кислородом, образуя воду, которая в виде пара выбрасывается наружу. Электроны же двигаются от анода к катоду по внешней цепи и, естественно, генерируют электрическую энергию.

Достоинств у топливных элементов много: высокий КПД (по сравнению с обычными источниками электроэнергии), низкая токсичность выбросов, бесшумность, модульная конструкция. Недостаток на сегодня один, но существенный: высокая стоимость.

КПД топливных элементов рассчитывается как отношение величины полученной электрической энергии к теплу, которое выделяется при сжигании топлива. И теоретически для некоторых окислительно-восстановительных реакций, протекающих в топливном элементе, он может быть больше единицы, хотя реально это никогда не достигается.

Почему же два понятия — водород и топливные элементы — постоянно встречаются рядом? Ответ прост: именно водород является для последних лучшим, к тому же — экологически чистым топливом. Все остальное преобразуется в них менее эффективно. Так что водородное топливо и топливные элементы представляют собой «неразлучную пару» с большим будущим. И с позиций энергетики выигрыш здесь очевиден, поскольку того же ископаемого топлива в «водородном виде» на производство энергии в энергоустановках на топливных элементах будет расходоваться существенно меньше, чем в традиционных.

Заправь ноутбук метанолом

Топливные элементы классифицируются по природе электролита. Например, щелочные, где электролитом является раствор щелочи, или твердополимерные, в которых электролитом «работает» полимерная протонпроводящая мембрана. В качестве топлива в твердополимерных топливных элементах может использоваться метанол. Его тоже можно окислять, хотя и менее эффективно, чем водород. Метанольные топливные элементы, по-видимому, наиболее перспективны для электропитания портативных устройств: ноутбуков, фотоаппаратов, сотовых телефонов и т. п.

Известны также фосфорно-кислотные топливные элементы, где электролитом является фосфорная кислота; твердооксидные топливные элементы, в которых в качестве электролита выступает керамика на основе диоксида циркония; и, наконец, расплав-карбонатные топливные элементы, где электролитом служит расплав карбонатов калия и лития. Рабочая температура для разных типов топливных элементов также различна. Так, твердополимерные топливные элементы работают при 80—100 °С, а два последних типа — в области очень высоких (650—1000 °С) температур.

Особенность всех типов топливных элементов заключается в небольшой величине напряжения, которое снимается с единичного элемента — обычно меньше одного вольта. Чтобы получить нужное напряжение, элементы соединяют в батарею. Однако даже батарея топливных элементов не является устройством, которое можно использовать в промышленности или в быту для получения электроэнергии. Сделать это можно только с помощью электрохимического генератора, представляющего собой батарею топливных элементов вместе с системами, обеспечивающими ее работу: управления, поддержания тепла, подготовки топлива (т.е. перевода любого топлива в водородсодержащий газ) и др.

КПД современных топливных элементов составляет 40—60 %, причем максимум, как уже говорилось, достигнут в устройствах на водороде. Если в качестве первичного топлива используется метан, КПД падает — из-за того, что часть энергии тратится на конвертирование метана в водородсодержащий газ. Кстати сказать, если в системе предусмотрена рекуперация (возвращение) тепла, то суммарный КПД, естественно, возрастает на 20—30 %.

В итоге уже реально получен КПД около 70 % — не правда ли, впечатляюще? При сравнении КПД топливных элементов и других современных энергоустановок (микротурбин, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, ТЭЦ, дизелей и т. д.) убеждаешься, что в области низких мощностей конкурировать с топливными элементами ничто не может. Это — идеальный вариант в случае рассредоточенной или автономной энергетики, идея которой становится все более и более популярной в обществе — особенно после катастрофических системных энергетиче­ских аварий последнего времени.

Где взять водород?

Убедившись в достоинствах топливных элементов, снова возвращаемся к водороду как лучшему для них энергоносителю. Поскольку в природе свободного водорода нет, его надо каким-то образом получать. Принцип получения в целом прост: берете водородсодержащее вещество, прикладываете к нему энергию (в идеале — из возобновляемых источников) и — пожалуйста! Источников и путей получения водорода существует несколько. В первую очередь, это ископаемые и синтетические топлива. Примерно 50 % водорода сегодня получают из природного газа, около 30 % — из нефти. А еще есть уголь, биомасса, вода, в конце концов.

Но вот на следующем этапе появляется одно немаловажное но: существуют немалые трудности с хранением, аккумулированием полученного водорода и перезаправкой им энергетических устройств. Одно из решений этой проблемы состоит в получении водорода непосредственно рядом с энергоустановкой в устрой­стве, названном топливный процессор.

Вопрос о стоимости водорода сегодня непростой, поскольку он не является биржевым продуктом, да и процесс его получения пока еще слишком материало- и энергоемкий. Соответственно цена водорода на сегодняшний день договорная и высокая. Согласно оценкам Министерства энергетики США, к 2010 г. цена за водород будет составлять от 1,5 до 2,9 доллара за килограмм. Для сравнения: теплотворная способность 1 кг водорода равна примерно таковой 1 галлона (около 4 л) бензина. Поэтому для развития водородной энергетики крайне важно в ближайшее время научиться эффективно получать водород и синтез-газ из наиболее дешевого и доступного сырья — природного газа. (К слову: наша страна обладает примерно 40 % его потенциальных мировых запасов.)

На примере природного газа можно рассмотреть и общую схему подготовки углеводородного топлива для использования в топливных элементах. Первая стадия осуществляется при высокой температуре. Это каталитические реакции парциального окисления либо паровой и автотермической конверсии природного газа. В результате получается синтез—газ — смесь водорода и оксида углерода (СО). Этот газ уже можно использовать в качестве топлива для высокотемпературных топливных элементов, поскольку оксид углерода и водород при высоких температурах окисляются с высокой скоростью.

Для более низкотемпературных фосфорнокислотных топливных элементов синтез-газ уже надо очищать от СО, доводя его концентрацию до 1 объемного процента. В противном случае топливный элемент просто не работает: оксид углерода блокирует анод. Для еще более низкотемпературных (твердополимерных) топливных элементов требования к чистоте водорода очень жесткие: на 1 млн молекул водорода должно приходиться не более 10 молекул СО. Для столь глубокой очиcтки водородсодержащего газа используется каталитическая реакция селективного окисления СО в присутствии водорода, в результате чего образуется углекислый газ (СО₂), который в этом случае не мешает.

Таким образом, подготовка углеводородного сырья наиболее проста для высокотемпературных топливных элементов. А поскольку они имеют самый высокий КПД, да к тому же для их производства не требуются драгоценные металлы, очевидно, что именно за этим типом топливных элементов будущее автономной стационарной энергетики.

«Сибирский» катализ

Наш внимательный читатель мог заметить, что в статье наконец-то прозвучало слово каталитический. Произошло это неслучайно, поскольку действительно высокоэффективные технологии получения водорода и синтез-газа из природного углеводородного сырья во всем мире разрабатываются на основе и исключительно благодаря катализаторам.

Хочется отметить, что хотя целенаправленные работы в этой области начались в нашей стране на 10—15 лет позже, чем за рубежом, отечественная наука в этом плане является, безусловно, конкурентоспособной. Так, в новосибирском Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН разработаны высокоэффективные структурированные катализаторы для реакции парциального окисления метана в виде лент или блоков из термостойких металлических сплавов и керамики. На их основе созданы компактные реакторы для воздушной конверсии природного газа, обеспечивающие переработку около 4 м³ метана в час на 1 л реактора.

Еще одна интересная разработка связана с реакцией паровой конверсии метана. Этот эндотермический процесс протекает при высоких температурах, поэтому часто лимитируется подводом тепла. Для решения проблемы была предложена «хитрая» система: с одной стороны металлической пластинки-катализатора идет реакция окисления метана с выделением тепла, с другой стороны – паровая конверсия. Тепло легко передается через пластинку, благодаря чему производительность реактора возрастает. На этом принципе при финансовой поддержке ОАО ГМК “Норильский никель” совместными усилиями специалистов Института катализа и Российского федерального ядерного центра ВНИИ эспериментальной физики (г. Саров) был создан первый топливный процессор для питания высокотемпературных топливных элементов.

Для портативных топливных элементов перспективным топливом считается боргидрид натрия. Реакция получения из него водорода — каталитическая. В том же Институте катализа разработаны блочные и гранулированные катализаторы, не уступающие лучшим мировым образцам, на основе которых совместно с московским Государственным научным центром РФ ГНИИ химии и технологии элементоорганических соединений уже созданы первые картриджи для питания портативных топливных элементов.

Как уже говорилось, для низкотемпературных топливных элементов требуется чистый водород, свободный как от оксида углерода, так и углекислого газа. Суть метода, предложенного сибирскими учеными, проста: если есть адсорбент, который будет поглощать в ходе паровой конверсии углеводородного топлива СО₂ и СО, то, естественно, на выходе будет получаться чистый водород. Ясно, что если один адсорбер-реактор будет работать на поглощение, а другой на регенерацию, можно организовать непрерывный процесс. Идея эта уже реализована: действительно, удается получать водород чистотой 99 %!

У института много и других перспективных разработок. Например, катализаторы для пиролиза метана с получением водорода без выбросов СО₂; мембранные реакторы, в которых природный газ окисляется кислородом, поступающим через специальную мембрану непосредственно из воздуха, и т. п. — упомянуть обо всех просто невозможно!

Как можно заметить, многие подобные разработки проводятся совместно с различными производственными компаниями, научными организациями и учреждениями, в том числе сибирскими. Роль Сибирского отделения РАН во многих областях, связанных с созданием водородной энергетики, может быть действительно велика. Это относится как к разработке новых технологий получения водорода и производства электрохимических устройств, так и к научному сопровождению промышленных технологий водородной энергетики, к участию в разработке прогнозов и программ российской энергетики. И, без сомнения, — к подготовке высококвалифицированных специалистов на базе Новосибирского государственного университета. Хочется думать, что и в дальнейшем российское энергетическое могущество будет прирастать Сибирью…

Не пароходы, но подводные лодки!

Подводя итог, можно констатировать, что водородная энергетика и топливные элементы как ее важнейшая часть весьма настойчиво стучатся в наши уже приоткрытые двери. Не исключено, что развитие водородной энергетики на базе топливных элементов будет одним из приоритетов мировой экономики в наступившем веке.

Многое для этого уже сделано, но предстоит еще больше. Смена энергоносителя — тернистый, длительный и капиталоемкий путь, на котором могут быть ошибки, но не должно быть «синдромов». Вспомним, как долго и трудно завоевывает место под солнцем атомная энергетика, доля которой в балансе топливно-энергетического комплекса до сих пор не превышает 7 %. Для достижения успеха на «водородном» пути нужны усилия химиков, физиков, математиков, материаловедов, энергетиков, экономистов — в конечном итоге всех землян!

Что уже сейчас есть в мире? Пока примерно 50 МВт — это вся установленная мощность реально существующих электрохимических генераторов. В демонстрационных испытаниях участвует не менее 100 компаний, но готового коммерческого продукта на этом рынке до сих пор нет.

Потребности же в энергетических установках на водороде неуклонно растут. Например, уже сейчас фактически нет ни одной автомобильной компании, которая не занималась бы разработкой автомобиля на топливных элементах. Уже созданы не только автобусы, ноутбуки, сотовые телефоны, но даже подводная лодка, использующая водородное топливо. Вот таким образом в XXI веке претворилась в жизнь мечта Жюля Верна!

Поток информации по водородной энергетике и топливным элементам сейчас нарастает лавинообразно — даже специалистам порой трудно следить за всеми новинками: более 10 периодических специализированных научных журналов, более 5 представительных ежегодных конференций, выставки, многочисленные веб-сайты. Читайте, анализируйте, делайте выводы, а время покажет, насколько пророческой оказалась мысль великого «технократического» романтика.

: 15 Сен 2005 , По следам Великой Северной экспедиции , том 6, №3

scfh.ru