Топливные элементы являются технологией производства электроэнергии нового поколения после гидроэнергетики, тепловой энергетики и атомной энергетики и имеют широкие перспективы применения как в военных, так и в гражданских целях. В этой статье мы познакомим вас с принципом работы и классификацией топливных элементов, а также проанализируем характеристики и сравнение топливного элемента и литий-ионного аккумулятора.

Что такое водородный топливный элемент?

Водородные топливные элементы — это устройства, преобразующие химическую энергию водорода в электричество. Они функционируют за счет электрохимического процесса, в ходе которого водород соединяется с кислородом с образованием воды, вырабатывая электричество в качестве побочного продукта.

Водородные топливные элементы — многообещающая технология получения чистой энергии, которая станет неотъемлемой частью усилий по декарбонизации в промышленности. До сих пор водородные топливные элементы использовались в автомобилях на топливных элементах большой мощности, космических аппаратах, центрах обработки данных, складах и во многих других областях. Потенциальные области применения в будущем варьируются от портативных электронных устройств до больниц и военных целей.

Как они работают?

Водородные топливные элементы работают как электролизеры в обратном направлении. В то время как электролизеры используют электричество для расщепления воды на водород и кислород, топливные элементы вырабатывают электричество, соединяя водород с кислородом с образованием воды.

Водородное топливо подается на анодную сторону топливного элемента из внешнего накопительного бака, в то время как кислород на катодную сторону поступает из воздуха. Водород окисляется (теряет электроны и становится положительно заряженным) на аноде, в то время как кислород восстанавливается (приобретает электроны и становится отрицательно заряженным) на катоде. Для переноса ионов между катодом и анодом используется электролит. Вода образуется либо на катоде, либо на аноде, в зависимости от типа топливного элемента.

Во время окисления избыточные электроны перемещаются по внешней цепи нагрузки от анода к катоду. Этот электрический ток обеспечивает выходную мощность топливного элемента.

Виды водородных топливных элементов

  • Щелочной топливный элемент (AFC): Щелочные топливные элементы работают на сжатом водороде и кислороде. В качестве электролита они обычно используют раствор гидроксида калия в воде. Щелочной топливный элемент обладает высокой эффективностью, и его разработка очень зрелая, но для его работы требуется чистое водородное топливо, а их платиновые электродные катализаторы стоят дорого. Кроме того, как любой контейнер, наполненный жидкостью, они могут протекать. Области его применения в основном сосредоточены в аэрокосмической отрасли. Щелочные ячейки использовались в космических аппаратах «Аполлон» для обеспечения экипажа электричеством и питьевой водой

  • Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC):Технология топливных элементов на основе фосфорной кислоты называется топливными элементами первого поколения, которые наиболее близки к современным коммерческим топливным элементам. В топливных элементах на основе фосфорной кислоты используется электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100% и катализатор из платины. Последнее обуславливает высокую стоимость его использования. Эффективность работы такого элемента невысока.  По сравнению с другими водородными топливными элементами, топливные элементы на основе фосфорной кислоты обладают большей устойчивостью к примесям, таким как CO2, в топливном потоке. Это позволяет использовать водород, полученный в результате паровой конверсии, при которой CO2 выделяется в качестве побочного продукта. Работающие при температурах 150-200 °C, они обеспечивают эффективный сбор отработанного тепла без экстремальных температур твердооксидных топливных элементов.

Принцип работы топливного элемента на основе фосфорной кислоты

  • Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC): Топливные элементы с протонообменной мембраной работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа. Для работы применяется чистый водород и кислород из воздуха. Твердый, гибкий электролит не будет протекать или трескаться, и эти ячейки работают при достаточно низкой температуре, что делает их пригодными в качестве портативного источника питания и источника питания для транспортных средств. Как недостаток можно отметить следующее: топливо должно быть чистым, а платиновый катализатор используется по обе стороны мембраны, что делает его слишком дорогим.

Принцип работы топливного элемента с протонообменной мембраной

  • Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ, SOFC): Твердооксидные топливные элементы используют в качестве электролита твердое керамическое соединение оксидов металлов (например, кальция или циркония). Твердооксидный топливный элемент называется топливным элементом третьего поколения. Он обладает высокой эффективностью работы, но из-за высокой рабочей температуры требования к материалам таких аккумуляторов также высоки. В твердооксидных топливных элементах не используются катализаторы из благородных металлов, что удешевляет их использование. Твердооксидные топливные элементы отличаются высокой прочностью и энергоэффективностью и идеально подходят для применений, в которых можно использовать отработанное тепло. В отличие от PEMFC топливных элементов, их длительное время запуска и высокие рабочие температуры до 1000 °C делают их неоптимальными для большинства транспортных применений. Твердооксидные топливные элементы разрабатываются главным образом для стационарных генераторов электроэнергии в таких зданиях, как больницы и центры обработки данных.

Принцип работы твердооксидного топливного элемента

Прочие типы топливных элементов:

  • Прямой метанольный топливный элемент (DMFC) представляет собой разновидность топливного элемента с протонообменной мембраной. DMFC, который все еще находится на стадии разработки (Samsung (Корея), Toshiba, Hitachi, NEC и Sanyo (Япония)), использует мембрану перфторсульфоновой кислоты в качестве электролита. Недостатками прямого метанольного топливного элемента являются необходимость использования токсичного метанола, низкая эффективность в сравнении с водородными элементами и необходимость большого количества катализатора для электроокисления метанола на аноде. Он используется для микромобильного питания.
  • Расплавленный карбонатный топливный элемент (MC): Расплавленный карбонатный топливный элемент называют топливным элементом второго поколения. Расплавленные карбонатные топливные элементы (MCFC) используют в качестве электролита высокотемпературные соединения карбонатов солей (таких как лития/калия или лития/натрия). При высоких рабочих температурах щелочные карбонаты образуют проводящий солевой расплав, в котором ионы карбонатов обеспечивают ионную проводимость. Из-за высокой рабочей температуры требования к материалам аккумуляторов высоки: твердые электролиты не могут протекать, они могут трескаться. Их никелевые электроды-катализаторы стоят недорого по сравнению с платиной, используемой в других ячейках.
  • Микробный топливный элемент (MFC): Микробный топливный элемент — особый вид, в котором используются микроорганизмы для преобразования химической энергии в электричество.
Тип топливного элементаAFCPAFKPEMFCMCFCSOFC
Электролит pаствор KOH фосфорная кислота протонообменная мембрана карбонат калия оксиды металла
Топливо чистый водород природный газ, водород водород, метанол, природный газ природный газ, угольный газ, биогаз природный газ, угольный газ, биогаз
Окислитель чистый водород воздух воздух воздух воздух
Эффективность 60%~90% 37%~42% 43%~58% 50%~60% 50%~65%
Рабочая температура 60~120 °C 160~220 °C 60~120 °C 600~1000 °C 600~1000 °C
Область применения космические и военные установки железные дороги бытовая техника, портативные ноутбуки, сотовые телефоны, видеокамеры, автобусы, автомобили, железнодорожные локомотивы электросети коммерческая энергетика, мобильные приложения для железных дорог

Достоинства топливных элементов

  • Электростанции на топливных элементах экологичны, бесшумны, не имеют вращающихся компонентов;
  • Топливные источники энергии достигают высокого КПД до 55%, тогда как обычные тепловые станции работают с КПД 30%;
  • Большая степень модульности, с мощностью от 5 кВт до 2 МВт;
  • Существует широкий выбор топливных элементов. Они могут работать на природном газе, этаноле, метаноле, сжиженном газе и биогазе, поставляемого из местной биомассы;
  • Топливные элементы обладают когенерационными возможностями. Когенерация — совместное производство электрической и тепловой энергии.

Сравнение литий-ионного аккумулятора и топливного элемента

Топливные элементы не могут накапливать электроэнергию, то есть они используются немедленно, а без дозаправки электричества нет. Другими словами, литиевые батареи преобразуют энергию из электрической в химическую, а топливные элементы напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую.

Литиевые аккумуляторы могут накапливать электроэнергию, их легко носить с собой, и их можно использовать в качестве аккумуляторов для мобильных устройств.

  • С точки зрения запаса хода топливный элемент имеет больше преимуществ, почти в два раза больше, чем литий-ионные аккумуляторы;
  • Топливный элемент оказывает низкое воздействие на окружающую среду. Его продуктом сгорания является вода, и он не производит парниковый газ, образующийся при сжигании бензина/дизельного топлива. Продуктами разряда литий-ионных аккумуляторов могут быть оксид лития, гидроксид лития и т.д;
  • Плотность энергии топливного элемента намного выше, чем у литий-ионного аккумулятора;
  • Поскольку литиевые аккумуляторы являются более совершенными и изученными, стоимость зарядных станций и аккумуляторов намного ниже, чем у топливных элементов.