Просмотр кода страницы Топливный элемент

[[Файл:Fuel cell NASA p48600ac.jpg|thumb|200px|[[Прямой метанольный топливный элемент]]]]
[[Файл:MBrennstoffzelle.jpg|thumb|280px|right|Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2]]
'''То́пливный элеме́нт''', '''ТЭ''' ({{lang-en|fuel cell}}) — [[Электрохимия|электрохимическое]] устройство, электрохимический источник тока, непосредственно преобразующий химическую энергию топлива в электрическую энергию.

[[Электродвижущая сила]] в топливном элементе возникает в результате электрохимических процессов из постоянно поступающих активных веществ<ref name="ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011">{{публикация|1=книга|часть=482-01-05|заглавие=ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011|подзаголовок=Источники тока химические. Термины и определения|ссылка=http://docs.cntd.ru/document/gost-r-mek-60050-482-2011|архив дата=2019-10-09|архив=https://web.archive.org/web/20191009060438/http://docs.cntd.ru/document/gost-r-mek-60050-482-2011}}</ref>.

Наиболее совершенными промышленно выпускаемыми источниками тока являются низкотемпературные топливные элементы с рабочей температурой ниже {{nobr|200 °C}}. В качестве топлива в них используются [[водород]], жидкие [[углеводороды]] и другие виды топлива, в качестве [[катализатор]]а, обычно, [[платина]]<ref name="Цивадзе и др., 2006">{{публикация|статья
|автор=Цивадзе |автор имя=А. Ю.
|автор2=Тарасович |автор2 имя=М. Р.
|автор3=Андреев |автор3 имя=В. Н.
|автор4=Богдановская |автор4 имя=В. А.
|заглавие=Перспективы создания низкотемпературных топливных элементов, не содержащих платину
|издание=Российский химический журнал
|год=2006 |том=L |номер=6 |страницы=109–114
|удк=621.352.6+66.094.373
|ссылка=http://www.chem.msu.ru/rus/jvho/2006-6/109.pdf
|архив дата=2021-08-15
|архив=https://web.archive.org/web/20210815092949/http://www.chem.msu.ru/rus/jvho/2006-6/109.pdf
}}</ref>.

[[КПД]] промышленно выпускаемых топливных элементов достигает {{nobr|60 %}}<ref name="РИАН, 10.12.2020">{{публикация|статья
|заглавие=Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов
|издание=РИА Новости |год=2020 |месяц=12 |день=10
|ссылка=https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html
|архив дата=2020-12-10
|архив=https://web.archive.org/web/20201210111316/https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html
}}</ref>, как и у наиболее совершенных электростанций с парогазовой установкой. В гибридных установках, где топливные элементы используются совместно с паросиловыми машинами, КПД комплексной установки может достигать {{nobr|75 %}}<ref name="Ковалёв, 2013">{{публикация|статья
|автор=Ковалёв |автор имя=А.
|заглавие=Выжать по максимуму
|тип=журн |издание=Энергия без границ |год=2013 |номер=1 (20)
|страницы=18–19
|ссылка=https://www.bgkrb.ru/upload/iblock/9bd/9bda979556ec3f2215e6a9e4a2fb9026.pdf
|архив дата=2013-08-06
|архив=https://web.archive.org/web/20130806142339/http://bgkrb.ru/upload/iblock/9bd/9bda979556ec3f2215e6a9e4a2fb9026.pdf
}}</ref>.

Топливные элементы имеют высокий уровень [[Экологическая безопасность|экологической безопасности]], в них могут использоваться [[Возобновляемая энергия|возобновляемые]] виды топлива<ref name="Макарова и Матвеев, 2018">{{публикация|книга
|автор=Макарова |автор имя=В.
|автор2=Матвеев |автор2 имя=А. В.
|ответственный=Уральский федеральный университет (г. Екатеринбург, Россия)
|часть=Выработка энергии топливных элементов прямого окисления спиртов из водных растворов с различной концентрацией этанола
|тип=сб. матер. конференц.
|заглавие= Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика
|подзаголовок=материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Данилова Н. И. (1945–2015) – Даниловских чтений (Екатеринбург, 10–14 декабря 2018 г.).
|место=Екатеринбург
|издательство=УрФУ
|год=2018 |страницы=716–720
|удк=620.92С
|ссылка=https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/74792/1/ersps_2018_170.pdf
|архив дата=2021-08-15
|архив=https://web.archive.org/web/20210815092051/https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/74792/1/ersps_2018_170.pdf
}}</ref>.

== Устройство ТЭ ==
Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь высокий коэффициент преобразования [[химическая энергия|химической энергии]] в [[электрическая энергия|электрическую]].

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются:
[[водород]] подаваемый со стороны [[анод]]а и [[кислород]] или воздух подаваемый на [[катод]] (водородный элемент) или [[метанол]] и [[кислород]] воздуха.

;Принцип разделения потоков горючего и окислителя:
В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая «отравлением» их катализатора побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Одноразовые же [[Гальванический элемент|гальванические элементы]] и [[Электрический аккумулятор|аккумуляторы]], в отличие от топливных элементов, содержат расходуемые твёрдые или жидкие реагенты содержание которых ограничена объёмом гальванического элемента, и, после исчерпания реагентов электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы произвести обратную электрохимическую реакцию, или, по крайней мере, в них нужно поменять израсходованные электроды и отработанный электролит.

Топливные элементы не предназначены для хранения электрической энергии, как гальванические элементы или электрохимические аккумуляторы, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы [[Электростанция|электростанции]], использующие [[Альтернативные источники энергии|непостоянные источники энергии]] (солнце, ветер), они совместно с [[электролиз]]ёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии.

=== Пример водородно-кислородного топливного элемента ===
[[Файл:Solid oxide fuel cell protonic-ru.svg|thumb|Схема топливного элемента с электролитом с протонной проводимостью]]
Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменным [[электролит]]ом" (например, "с полимерной мембраной) содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — [[анод]] и [[катод]]; каждый [[электрод]] обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым [[катализатор]]ом — [[платина|платиной]] или сплавом [[платиноид]]ов и другие композиции.

На катализаторе анода молекулярный [[водород]] [[Электролитическая диссоциация|диссоциируется]] и теряет [[электрон]]ы превращаясь в [[протон]]ы. Катионы водорода (протоны) проникают через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана непроницаема для электронов, то есть не имеет электронной проводимости.

На катализаторе катода атомы кислорода соединяются с электронами (который подводятся по проводу внешней электрической цепи) и проникшими через электролит протонами и образует воду, являющуюся единственным продуктом реакции, вода отводится от катода в виде [[пар]]а и/или [[жидкость|жидкости]].

=== Мембрана ===
[[Мембрана]] обеспечивает проводимость для [[протон]]ов, но не [[электрон]]ов. Она может быть [[Полимерные электролитические мембраны|полимерной]] (например, материал с фирменным названием «Нафион» (''Nafion''), [[полибензимидазол]] и другие полимеры) или [[Керамика|керамической]] ([[оксид]]ной и другой). Также существуют ТЭ и без мембраны<ref>{{cite web |url = http://www.membrana.ru/lenta/?4431 |title = Изобретён топливный элемент без мембраны |lang = ru |website = www.membrana.ru |date =  |accessdate =  |deadlink = yes |archive-date = 2009-09-14 |archive-url = https://web.archive.org/web/20090914170838/http://www.membrana.ru/lenta/?4431 }}</ref>.

=== Анодные и катодные материалы и катализаторы ===
Анод и катод, как правило, — это просто проводящий катализатор — [[платина]], нанесённая на высокоразвитую углеродную поверхность.

=== Аналогии в живой природе ===
Природным топливным элементом является [[митохондрия]] живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — [[пируват]]ы и [[жирные кислоты]] и синтезируют [[АТФ]] — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, при этом возникает разность электрических потенциалов на своей внутренней мембране. Однако реализация этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах затруднительно, так как [[протонная помпа|протонные помпы]] митохондрий имеют белковую природу.

== История ==

=== Первые открытия ===
В 1839 году была опубликована заметка британского учёного [[Уильям Роберт Грове|Уильяма Роберта Грове]], в которой он описал опыт, где обнаружил «постоянное отклонение» стрелки гальванометра между двумя платиновыми электродами погружёнными в жидкость, омываемыми один — кислородом, другой — водородом<ref>Топливные элементы : пер. с англ. / под ред. Г. Д. Янга. М. : Изд-во иностранной лит., 1963. 216 с. С.12</ref>. Позже он установил, что процесс [[электролиз]]а обратим, то есть [[водород]] и [[кислород]] объединяются в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества<ref>{{Книга |автор=J. Larmini, А. Dicks. |заглавие=Fuel cell systems explained. Second edition. |год=2003 |издательство=John Willey & Sons, Ltd. |страниц=406}}</ref>. Свой прибор, где удалось провести эту реакцию, ученый назвал «газовой батареей», и это был первый топливный элемент.

В 1937 году профессор Ф. Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х он создал батарею из 40 топливных элементов, имеющую мощность {{nobr|5 кВт.}} Такую батарею можно было применить для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъёмника<ref>{{Книга |автор=V.S. Bagotsky. |заглавие=Fuel Cells: Problems and Solutions. |год=2009 |место=NJ |издательство=Wiley. |страниц=320}}</ref>. Батарея работала при высоких температурах порядка {{nobr|200 °С}} и более и давлениях {{nobr|20—40 [[Бар (единица измерения)|бар]].}} Эта батарея была весьма массивна.

=== История исследований в СССР и России ===
<!-- {{Нет ссылок в разделе|дата=12 мая 2011}}-->
Русский электротехник П. Н. Яблочков получил патент (N. 187139) на электрический элемент с механической поляризацией (топливный элемент) в 1887 году, проживая в то время во Франции.

В [[СССР]] первые публикации о топливных элементах появились в [[1941 год]]у. Значительный вклад в их создание внёс советский учёный [[Давтян, Оганес Карапетович|О. К. Давтян]]<ref>{{Cite web|url=https://www.britannica.com/biography/O-K-Davtyan|title=O. K. Davtyan {{!}} Soviet chemist {{!}} Britannica|lang=en|website=www.britannica.com|archive-url=http://web.archive.org/web/20230822104638/https://www.britannica.com/biography/O-K-Davtyan|archive-date=2023-08-22|access-date=2023-08-22}}</ref>.

Первые систематические исследования в СССР начались в [[1960-е|60-х]] годах. [[Энергия (РКК)|РКК «Энергия»]] (с 1966 года) разрабатывала фосфорнокислотные (PAFC) топливные элементы для [[Лунная программа СССР|советской лунной программы]]. С 1987 по 2005 годы «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около {{nobr|80 тыс. часов.}}

Во время работ над программой «[[Буран (космический корабль)|Буран]]» (1980-е годы), разрабатывались щелочные (AFC) элементы, отвечающие условиям и требованиям полёта. На «Буране» были установлены 10-киловаттные топливные элементы.

В 70-е — 80-е годы [[НПО «Квант»]] совместно с Рижским автобусным заводом «[[Рижская автобусная фабрика|РАФ]]» разрабатывали щелочные ТЭ для автобусов. Прототип такого автобуса на топливных элементах ([[Квант-РАФ]]) был изготовлен в [[1982 год]]у.

В [[1989 год]]у «Институт высокотемпературной электрохимии» ([[Екатеринбург]]) произвёл первую твёрдооксидную SOFC-установку{{что}} мощностью {{nobr|1 кВт.}}

В 1999 году [[АвтоВАЗ]] начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля [[ВАЗ-2131]] было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом располагались в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил кандидат технических наук Г. К. Мирзоев.

10 ноября 2003 года было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между [[Российская академия наук|Российской академией наук]] и [[Норильский никель|компанией «Норильский никель»]] в области водородной энергетики и топливных элементов<ref>{{Cite web |url=http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/02_07_NIK%20NEP.pdf |title=Архивированная копия |archiveurl=https://web.archive.org/web/20071110104812/http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/02_07_NIK%20NEP.pdf |archivedate=2007-11-10 |accessdate=2010-05-07 |deadlink=yes}}</ref>. Это привело к учреждению<ref>{{Cite web |url=http://www.regnum.ru/news/472265.html |title=«Новые энергетические проекты» оценили водородные разработки томского политеха |date=2005-06-20 |publisher=[[REGNUM]] |accessdate=2010-08-14 |archive-date=2013-12-28 |archive-url=https://web.archive.org/web/20131228082141/http://www.regnum.ru/news/472265.html |deadlink=no }}</ref> 4 мая 2005 года Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая в 2006 году создала резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твёрдым полимерным электролитом мощностью {{nobr|1 кВт.}}
Однако, по сообщению информационного агентства «МФД-ИнфоЦентр», ГМК «Норильский никель» ликвидирует компанию «Новые энергетические проекты» в рамках объявленного в начале 2009 года решения избавляться от непрофильных и убыточных активов<ref>[http://mfd.ru/News/View/?ID=1482973 «Норникель» ликвидирует компанию «Новые энергетические проекты»] {{Wayback|url=http://mfd.ru/News/View/?ID=1482973 |date=20131226103132 }} | Финансовые новости на MFD.RU</ref>.

В 2008 году была основана компания «[[ИнЭнерджи]]», которая занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами в области электрохимических технологий и систем электропитания. По результатам проведённых исследований, при кооперации с ведущими институтами РАН (ИПХФ, ИФТТ и ИХТТМ), был реализован ряд пилотных проектов, показавших высокую эффективность. Для компании «[[МТС (компания)|МТС]]» была создана и введена в эксплуатацию модульная система [[Источник бесперебойного электропитания|резервного питания]] на базе водородно-воздушных топливных элементов, состоящая из ТЭ, системы управления, накопителя электроэнергии и преобразователя; с мощностью системы до {{nobr|10 кВт.}}

Водородно-воздушные энергетические системы обладают рядом преимуществ, среди которых широкий температурный диапазон эксплуатации при температуре внешней среды {{nobr|(−40...+60 °C),}} высокий КПД (до {{nobr|60 %),}} отсутствие шума и вибраций, быстрый старт, компактность и экологичность (вода — единственный продукт работы).

== Типы топливных элементов ==
{| class="wikitable"
 |+ Основные типы топливных элементов<ref name="moshnikov">{{Книга |автор=Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова |заглавие=Основы водородной энергетики |год=2010 |место=СПб |издательство=Изд-во СПбГЭТУ «Лэти» |страниц=288 |isbn=978-5-7629-1096-5}}</ref>
 ! Тип топливного элемента
 ! Реакция на аноде
 ! Электролит
 ! Реакция на катоде
 ! Температура, °С
 |-
 | [[Щелочной топливный элемент|Щелочной ТЭ]]
 | 2 H<sub>2</sub> + 4 OH<sup>−</sup> → 4 H<sub>2</sub>O + 4 e<sup>−</sup>
 | Раствор КОН
 | O <sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O + 4 e<sup>−</sup> → 4 OH<sup>−</sup>
 | 60-140 °С<ref>{{Cite web |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732 |title=Alkaline fuel cells running at elevated temperature for regenerative fuel cell system applications in spacecrafts - ScienceDirect<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2021-06-10 |archive-date=2021-06-10 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210610201516/https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732 |deadlink=no }}</ref>
 |-
 | [[Топливный элемент с протонообменной мембраной|ТЭ с протонно-обменной мембраной]]
 | 2 H<sub>2</sub> → 4 H<sup>+</sup> + 4 e<sup>−</sup>
 | Протоннообменная мембрана
 | O<sub>2</sub> + 4 H<sup>+</sup> + 4 e<sup>−</sup> → 2 H<sub>2</sub>O
 | 80
 |-
 | [[Прямой метанольный топливный элемент|Метанольный ТЭ]]
 | 2 CH<sub>3</sub>OH + 2 H<sub>2</sub>O → 2 CO<sub>2</sub> + 12 H<sup>+</sup> + 12 e<sup>−</sup>
 | Протоннообменная мембрана
 | 3 O<sub>2</sub> + 12 H<sup>+</sup> + 12 e<sup>−</sup> → 6 H<sub>2</sub>O
 | 60
 |-
 | [[Фосфорнокислый топливный элемент|ТЭ на основе ортофосфорной кислоты]]
 | 2 H<sub>2</sub> → 4 H<sup>+</sup> + 4 e<sup>−</sup>
 | Раствор фосфорной кислоты
 | O<sub>2</sub> + 4 H<sup>+</sup> + 4 e<sup>−</sup> → 2 H<sub>2</sub>O
 | 200
 |-
 | [[Расплавной карбонатный топливный элемент|ТЭ на основе расплавленного карбоната]]
 | 2 H<sub>2</sub> + 2 CO<sub>3</sub><sup>2−</sup> → 2 H<sub>2</sub>O + 2 CO<sub>2</sub> + 4 e<sup>−</sup>
 | Расплавленный карбонат
 | O<sub>2</sub> + 2 CO<sub>2</sub> + 4 e<sup>−</sup> → 2 CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>
 | 650
 |-
 | [[Твердооксидный топливный элемент|Твердотельный оксидный ТЭ]]
 | 2 H<sub>2</sub> + 2 O<sub></sub><sup>2−</sup> → 2 H<sub>2</sub>O + 4 e<sup>−</sup>
 | Смесь оксидов
 | O<sub>2</sub> + 4 e<sup>−</sup> → 2 O<sub></sub><sup>2−</sup>
 | 1000
 |}

=== Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор ===
[[Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор]] использует для производства электроэнергии [[окисление]] [[Алюминий|алюминия]] [[кислород]]ом [[воздух]]а. Токогенерирующую реакцию в нём можно представить в виде

: <ce>4 Al + 3 O2 + 6 H2O -> 4 Al(OH)3,</ce> <math>\quad E = 2{,}71~\text{V},</math>

а реакцию коррозии — как

: <ce>2 Al + 6 H2O -> 2 Al(OH)3 + 3 H2</ce>'''.'''

Существенными преимуществами воздушно-алюминиевого электрохимического генератора являются: высокий (до {{nobr|50 %)}} [[коэффициент полезного действия]], отсутствие вредных выбросов, простота обслуживания<ref>{{Книга |ref=Жук |автор=Жук А. З., Клейменов Б. В., Фортов В. Е., Шейндлин А. Е.|заглавие=Электромобиль на алюминиевом топливе |год=2012|место=М|издательство=Наука|страниц=171|isbn=978-5-02-037984-8}}</ref>.

== Преимущества и недостатки ==
{{стиль статьи|дата=2023-09-06}}

=== Преимущества водородных топливных элементов ===
Водородные топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

; Высокий КПД
{{дополнить раздел|дата=2017-10-31}}
* У топливных элементов нет принципиального теоретического ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД [[цикл Карно|цикла Карно]] является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
* Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. В обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, нагретый водяной пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор. Результативный максимум КПД составляет {{nobr|53 %,}} чаще же он находится на уровне порядка {{nobr|35—38 %.}} Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет {{nobr|60—80 %}}<ref>{{Cite web |url=https://alldc.ru/documentation/document/718.html |title=Обзор инженерных систем ЦОД: Электроснабжение ЦОД: Топливные элементы — осторожное начало? |website=alldc.ru |accessdate=2020-10-08 |archive-date=2020-11-28 |archive-url=https://web.archive.org/web/20201128024407/https://alldc.ru/documentation/document/718.html |deadlink=no }}</ref>.
* КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.


; Экологичность
'''За:'''
В воздух выделяется лишь [[водяной пар]], который не наносит вреда окружающей среде. Это хорошо вписывается в концепцию «нулевых выбросов углекислого газа», а также — ''априори'' — отсутствие в продуктах реакции других вредных газов, таких как моноксид углерода, диоксид серы и т. п.
Некоторые источники сообщают об аргументах '''Против''', настаивая на том, что водород, просачиваясь как из баллона, так и топливного элемента, будучи легче воздуха, поднимается в верхние слои атмосферы, образуя вместе с гелием своеобразную «корону земли» и безвозвратно покидает атмосферу Земли в течение нескольких лет, что при массовом применении технологий на водороде способно привести к глобальной потере воды, если водород будет производиться её электролизом<ref>{{Cite news|title=Астронет > Диссипация %атмосфер|url=http://www.astronet.ru/db/msg/1188273|accessdate=2018-07-17|archivedate=2018-07-17|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180717125039/http://www.astronet.ru/db/msg/1188273}}</ref>. Тем не менее, этот факт вызывает серьёзные сомнения и с точки зрения науки не выдерживает никакой критики: потери из-за диффузии водорода при его добыче и хранении для технологических целей ничтожны по сравнению с запасами воды.
{{дополнить раздел|дата=2017-10-31}}

;Компактные размеры:
Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях.<!-- Например, солдат [[Армия США|армии США]] носит 22 различных типа аккумуляторных батарей; средняя мощность батареи 20 ватт.{{нет АИ|16|10|2010}}--> Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Совокупная [[стоимость]] владения водородно-воздушных систем значительно ниже обычных электрохимических батарей. Кроме того, они обладают высочайшей [[отказоустойчивость]]ю за счет отсутствия движущихся частей механизмов, не нуждаются в техническом обслуживании, а срок их эксплуатации достигает 15 лет, превосходя классические электрохимические батареи вплоть до пяти раз.

=== Проблемы топливных элементов ===
Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной [[Инфраструктура|инфраструктуры]]. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта?

Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой [[Мощность (физика)|мощностью]], долговечности мембран, отравления [[катализатор]]ов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.<!--
Проблема отравления катализатора и долговечности мембраны решается созданием элемента с механизмами самовосстановления — регенерация ферментов-катализаторов{{нет АИ|8|7|2011}}.-->

Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают<!-- значительной{{нет АИ|7|01|2011}}--> инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений ([[Ионистор|суперконденсаторы]], аккумуляторные батареи).

Также существует проблема получения и хранения [[водород]]а. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления [[катализатор]]а, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Из простых химических элементов водород и [[углерод]] являются крайностями. У водорода самая большая удельная теплота сгорания среди всех химических элементов и высокая химическая активность, но очень низкая плотность. У углерода самая высокая удельная теплота сгорания среди твёрдых элементов, достаточно высокая плотность, но низкая химическая активность из-за энергии активации. Золотая середина — углевод (сахар) или его производные (этанол) или углеводороды (жидкие, твёрдые и газообразные). Выделяемый [[Диоксид углерода|углекислый газ]] должен участвовать в общем цикле дыхания планеты, не превышая предельно допустимых концентраций.

Существует множество способов [[Производство водорода|производства водорода]], но в настоящее время около {{nobr|50 %}} водорода, производимого во всём мире, получают из [[природный газ|природного газа]]. Все остальные способы пока очень дорогостоящие. Очевидно, что при неизменном балансе первичных энергоносителей, с ростом потребностей в водороде как в массовом топливе и развитию устойчивости потребителей к загрязнениям, рост производства будет расти именно за счёт этой доли, а с наработкой инфраструктуры, позволяющей иметь его в доступности, более дорогие (но более удобные в некоторых ситуациях) способы будут отмирать. Прочие способы, в которые водород вовлечён в качестве вторичного энергоносителя, неизбежно нивелируют его роль от топлива до своего рода химического аккумулятора. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт из-за этого неизбежно. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. [[Ветроэнергетика]], [[Производство водорода]]). Например, средняя цена электроэнергии [[Энергетика США|в США]] выросла в 2007 году до $0,09 за [[киловатт-час|кВт·ч]], тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04—$0,07 (см. [[Ветроэнергетика]] или [https://web.archive.org/web/20080209185714/http://www.awea.org/faq/cost.html AWEA]). [[Энергетика Японии|В Японии]] киловатт-час электроэнергии стоит около $0,2<ref>{{Cite web |url=http://www.solarbuzz.com/solarprices.htm |title=Источник |access-date=2007-12-24 |archive-date=2008-05-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080509091532/http://www.solarbuzz.com/SolarPrices.htm |deadlink=no }}</ref>.
Учитывая территориальную удалённость некоторых перспективных областей (например, транспортировать полученную фотоэлектрическими станциями электроэнергию из [[Африка|Африки]] напрямую, по проводам, явно бесперспективно, несмотря на её огромный энергетический потенциал в этом плане), даже работа водорода как «химического аккумулятора» может быть вполне рентабельной. По данным на 2010 год стоимость энергии водородного топливного элемента должна подешеветь в восемь раз, чтобы стать конкурентоспособной с энергией, производимой тепловыми и атомными электростанциями<ref name="moshnikov"/>.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать [[угарный газ|угарный газ (СО)]] и [[сероводород]], отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре {{nobr|160 °C}} в топливе может присутствовать {{nobr|1 %}} СО.

К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — [[Невозобновляемые ресурсы|невозобновляемый]] ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15—20 лет производства элементов<ref name="ntpoRU2229515">{{Cite web |url=http://www.ntpo.com/patents_electricity/electricity_5/electricity_16.shtml |title=Патент РФ RU2229515 Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов |access-date=2009-04-19 |archive-date=2008-07-06 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080706024555/http://ntpo.com/patents_electricity/electricity_5/electricity_16.shtml |deadlink=no }}</ref>.

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. [[Ферменты]] — возобновляемые материалы, они дёшевы, не отравляются основными примесями в дешёвом топливе. Обладают специфическими преимуществами<ref name="ntpoRU2229515"/>. Нечувствительность ферментов к СО и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при [[Конверсия (химия)|конверсии]] органических отходов.

Кроме того, водород ещё и крайне пожароопасен и взрывоопасен. Даже при сильных морозах он может самопроизвольно вспыхнуть при смешивании с воздухом.

== Применение топливных элементов ==
{{также|Водородная энергетика}}
Топливные элементы первоначально применялись только в [[Космическая техника|космической отрасли]], однако в настоящее время сфера их применения непрерывно расширяется. Их применяют в стационарных [[электростанция]]х, в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения зданий, в двигателях транспортных средств, в качестве источников питания [[ноутбук]]ов и [[Сотовый телефон|мобильных телефонов]]. Часть этих устройств пока не покинула стен лабораторий, другие уже коммерчески доступны и давно применяются.

Широко используются высокомощные энергетические установки на базе топливных элементов. В основном такие установки работают на основе элементов на базе расплавленных карбонатов, фосфорной кислоты и твёрдых оксидов. Как правило, такие установки используют не только для выработки электроэнергии, но и для получения тепла.

Большие усилия прилагаются для разработки гибридных установок, в которых высокотемпературные топливные элементы комбинируются с [[Газовая турбина|газовыми турбинами]]. КПД таких установок может достигать {{nobr|74,6 %}} при усовершенствовании газовых турбин.

Активно выпускаются и маломощные установки на базе топливных элементов.
{| class="wikitable"
 |+ Примеры применения топливных элементов<ref name="moshnikov" />
 ! Область применения
 ! Мощность
 ! Примеры использования
 |-
 | Стационарные установки
 | 5—250 кВт и выше
 | Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
 |-
 | Портативные установки
 | 1—50 кВт
 | Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники
 |-
 | Транспорт
 | 25—150 кВт
 | Автомобили и другие транспортные средства, военные корабли и подводные лодки
 |-
 | Портативные устройства
 | 1—500 Вт
 | Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры, персональные компьютеры, различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы
 |}

В феврале 2021 года компания Тойота представила модульные водородные топливные элементы для широкого применения выходной мощности — 60 и {{nobr|80 кВт}}<ref name="sb2602">{{Cite web |lang=ru |url=https://3dnews.ru/1033631/toyota-sozdala-modulnie-vodorodnie-toplivnie-elementi-dlya-shirokogo-primeneniya/ |title=Toyota создала модульные водородные топливные элементы для широкого применения |author=Сергей Карасёв |website=3dnews.ru |date=2021-02-26 |publisher=3dnews.ru |accessdate=2021-02-27 |archive-date=2021-02-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210227100821/https://3dnews.ru/1033631/toyota-sozdala-modulnie-vodorodnie-toplivnie-elementi-dlya-shirokogo-primeneniya |deadlink=no }}</ref><ref name="sb2602-2">{{Cite web |lang=en |url=https://global.toyota/en/newsroom/corporate/34799439.html |title=Toyota Develops Packaged Fuel Cell System Module to Promote the Hydrogen Utilization toward the Achievement of Carbon Neutrality |website=global.toyota |date=2021-02-26 |publisher=global.toyota |accessdate=2021-02-27 |archive-date=2021-02-26 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210226230657/https://global.toyota/en/newsroom/corporate/34799439.html |deadlink=no }}</ref>.


Также применяются [[дрон]]ы на водородных топливных элементах<ref>[https://www.vesti.ru/nauka/article/2485261 Инженеры испытали водородный дрон, стартующий с кораблей] {{Wayback|url=https://www.vesti.ru/nauka/article/2485261 |date=20201118041915 }} // Вести — Наука, 14 ноября 2020</ref>.
<!-- === Использование топливных элементов в космических аппаратах ===
{{план}}
-->

=== Техническое регулирование в области производства и использования топливных элементов ===
В 19 августа 2004 года [[Международная электротехническая комиссия|Международной электротехнической комиссией]] (МЭК, IEC) был выпущен первый международный стандарт IEC 62282-2 «Технологии топливных элементов. Часть 2, Модули топливных элементов». Это был первый стандарт серии IEC 62282, разработка которой осуществляется Техническим комитетом «Технологии топливных элементов» (TC/IEC 105); в состав Технического комитета ТС/IEC 105 входят постоянные представители из 17 стран и наблюдатели из 15 стран мира.

TC/IEC 105 разработал и издал 14 международных стандартов серии IEC 62282, охватывающих широкий спектр тематики, связанной со стандартизацией энергоустановок на основе топливных элементов. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации (РОССТАНДАРТ) является коллективным членом Технического комитета ТС/IEC 105 на правах наблюдателя. Координационную деятельность с МЭК со стороны Российской Федерации осуществляет секретариат РосМЭК ([[Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии|Росстандарт]]), а работы по имплементации стандартов МЭК производятся национальным Техническим комитетом по стандартизации ТК 029 «Водородные технологии», Национальной ассоциацией водородной энергетики (НАВЭ) и ООО «КВТ».

В настоящее время Росстандарт принял следующие национальные и межгосударственные стандарты, идентичные международным стандартам IEC:
* ГОСТ Р 56188.1-2014/IEC/TS 62282-1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология»;
* ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 2. Модули топливных элементов»;
* ГОСТ Р МЭК 62282-3-100-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-100. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»;
* ГОСТ Р МЭК 62282-3-200-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-200. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик»;
* ГОСТ IEC 62282-3-201-2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3-201. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик систем малой мощности»;
* ГОСТ IEC 62282-3-300-2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3-300. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Монтаж»;
* ГОСТ IEC 62282-5-1-2016 «Технологии топливных элементов. Часть 5-1 Портативные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»
* ГОСТ IEC 62282-7-1-2016 «Технологии топливных элементов. Часть 7-1: Методы испытаний единичных элементов для топливных элементов с полимерным электролитом».

== См. также ==
* [[Производство водорода]]
* [[Водородный транспорт]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''Квасников Л. А., Тазетдинов Р. Г.'' Регенеративные топливные элементы. — Тираж 1600 экз. — М., [[Атомиздат]], 1978 г. — 168 с.
* ''Анисимов В. М.'' Топливные элементы и перспективы применения их на железнодорожном транспорте. — Москва, [[Транспорт (издательство)|Транспорт]], 1971 г. — 72 с.
* Топливные элементы. — Перевод с английского. — М., [[Иностранная литература]], 1963 г. — 216 стр.
* Топливные элементы. Некоторые вопросы теории. — [[Наука (издательство)|Наука]], 140 страниц; 1964 г.

== Ссылки ==
{{Навигация}}
* [http://www.fuelcells.org fuelcells.org]
* [https://web.archive.org/web/20180121213128/http://www.fuelcelltoday.com/ fuelcelltoday.com]
* ''Раменский А. Ю., Григорьев С. А.'' [http://h2org.ru/images/stories/107-129_ramenskiy.pdf Технологии топливных элементов: вопросы технического регулирования, ISJAEE № 19-20 (207—208), 2016 год]
* [http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells hydrogenandfuelcells] // [[Департамент энергетики США]]
* {{Cite web |url=http://nvo.ng.ru/armament/2010-01-29/1_submarines.html |title=Германия России предложила подводные лодки... |first=Николай |last=Кириллов |date=2010-01-29 |publisher=[[НВО НГ]] |accessdate=2010-01-29 |deadlink=no}} — сравнение ЭХГ с двигателями Стирлинга
* [https://bigs.de/en/technik-animationen/energietechnik/brennstoffzellen/brennstoffzellentechnik-pmfc] Как работает топливный элемент, на русском языке

{{Гальванические элементы}}
{{Энергетика}}

{{rq|renew|sources}}
[[Категория:Источники питания]]
[[Категория:Топливные элементы| ]]