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.
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.
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.
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): — особый вид, в котором используются микроорганизмы для преобразования химической энергии в электричество.
| Тип топливного элемента | AFC | PAFK | PEMFC | MCFC | SOFC |
|---|---|---|---|---|---|
| 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.
