Что такое топливный элемент
Перейти к содержимому

Что такое топливный элемент

  • автор:

Топливный элемент как альтернатива "альтернативной" энергетики

Ни кого уже не удивишь ни солнечными панелями, ни ветряками, которые во всех регионах мира вырабатывают электроэнергию. Но выработка от этих устройств не постоянна и приходится устанавливать резервные источники питания, либо подключаться к сети для получения электроэнергии в период, когда объекты ВИЭ не вырабатывают электроэнергию. Однако существуют установки, разработанные в 19 веке, которые используют «альтернативное» топливо для получения электроэнергии, т.е не сжигают газ или нефтепродукты. Такими установками являются топливные элементы.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ

Топливные элементы (ТЭ) или топливные ячейки были открыты еще в 1838-1839 году Уильямом Гроувом (Гроу, Грове), когда он изучал электролиз воды.

Справка: Электролиз воды – процесс разложения воды под действием электрического тока на молекулы водорода и кислорода

Отключив от электролитической ячейки батарею, он с удивлением обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ и вырабатывать ток. Открытие процесса электрохимического «холодного» горения водорода стало знаменательным событием в энергетике. В дальнейшем он создал аккумулятор Гроува. В этом устройстве был платиновый электрод, погруженный в азотную кислоту, и цинковый электрод в сульфате цинка. Он генерировал ток в 12 ампер и напряжение 8 вольт. Сам Гроу назвал эту конструкцию «мокрой батарейкой». Затем он создал аккумулятор, используя два платиновых электрода. Один конец каждого электрода находился в серной кислоте, а другие концы запечатаны в контейнеры с водородом и кислородом. Между электродами был стабильный ток, внутри контейнеров увеличивалось количество воды. Гроу смог разложить и улучшить воду в этом устройстве.

Акум Гроу.JPG

«Аккумулятор Гроу»
(источник: Королевское сообщество Национального музея естественной истории)

Термин «топливный элемент» (англ. «Fuel Cell») появился лишь в 1889 году Л. Мондом и
Ч. Лангером, пытавшимися создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Топливный элемент — относительно простое устройство. В нем есть два электрода: анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод). На электродах происходит химическая реакция. Чтобы ее ускорить, поверхность электродов покрывается катализатором. ТЭ оснащены еще одним элементом — мембраной. Превращение химической энергии топлива непосредственно в электричество, происходит благодаря работе именно мембраны. Она отделяет две камеры элемента, в которые подают топливо и окислитель. Мембрана позволяет проходить из одной камеры в другую только протонам, которые получаются в результате расщепления топлива, на электроде, покрытом катализатором (электроны при этом пробегают по внешней цепи). Во второй камере протоны воссоединяются с электронами (и атомами кислорода), образуя воду.

принцип работы.jpg
Принцип работы водородного топливного элемента

На химическом уровне процесс превращения энергии топлива в электрическую энергию схож с обычным процессом горения (окисления).

При обычном горении в кислороде протекает окисление органического топлива, и химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию. Посмотрим что происходи при окислении водорода кислородом в среде электролита и при наличии электродов.

Подавая водород к электроду, находящемуся в щелочной среде протекает химическая реакция:

Как видно получим электроны, которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция:

Видно, что результирующая реакция 2H2 + O2 → H2O — такая же, что и при обычном горении, но в топливном элементе получается электрический ток и частично тепло.

ВИДЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Классифицировать ТЭ принято по виду электролита использующемся для протекания реакции:

Виды ТЭ.JPG

Отметим, что в топливных элементах в качестве горючего могут также применяться уголь, окись углерода, спирты, гидразин, другие органические вещества, а в качестве окислителей — воздух, перекись водорода, хлор, бром, азотная кислота и т.д.

КПД ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Особенностью топливных элементов является отсутствие жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин.

Справка: КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами.

Поэтому КПД топливных элементов в теории может быть выше 100%. Многие улыбнулись и подумали «Вечный двигатель изобрели значит». Нет, тут стоит вернуться к школьному курсу химии. В основе топливного элемента лежит преобразование химической энергии в электрическую. Вот тут и возникают чудеса. Определённые химической реакции в процессе протекания могут поглощать теплоту из окружающей среды.

Справка: Эндотермические реакции — химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты. Для эндотермических реакций изменение энтальпии и внутренней энергии имеют положительные значения (ΔH>0, ΔU>0), таким образом, продукты реакции содержат больше энергии, чем исходные компоненты.

Примером такой реакции может служить окисление водорода, которая и используется в большинстве топливных элементов. Поэтому теоретически КПД может больше 100%. Но сегодня топливные элементы в процессе работы нагреваются и не могут поглощать теплоту из окружающей среды.

Справка: Это ограничение накладывает второй закон термодинамики. Не возможен процесс передачи тепла от «холодного» тела к «горячему».

Плюс ко всему имеются потери, связанные с неравновесными процессами. Такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую. Поэтому топливные элементы не вечные двигатели и КПД их меньше 100%. Но их КПД больше, чем у остальных машин. Сегодня эффективность топливного элемента достигает 80%.

Справка: В сороковые годы английский инженер Т. Бэкон сконструировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80 %, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение мощности к весу батареи оказалось слишком малым — такие элементы были непригодны для практического применения и слишком дорогими (источник: http://www.powerinfo.ru/).

ПРОБЛЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Практически все топливные элементы в качестве топлива используют водород, так что возникает логичный вопрос: «Где его взять?»

Кажется, открыли топливный элемент в результате электролиза, вот и можно использовать водород выделившейся в результате электролиза. Но давайте разберем этот процесс подробнее.

Согласно закону Фарадея: количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Значит, чтобы получить больше водорода необходимо потратить больше электроэнергии. Существующие методы электролиза воды проходят с кпд меньше единицы. Затем полученный водород мы используем в ТЭ, где кпд также меньше единицы. Следовательно мы затратим энергии больше, чем сможем выработать.

Конечно, можно использовать водород, получаемый из природного газа. Этот способ получения водорода остается самым дешевым и популярным. В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Но возникает проблема с хранением и транспортировкой водорода. Водород имеет маленькую плотность (один литр водорода весит 0,0846 гр), поэтому чтобы транспортировать его на дальние расстояния его необходимо сжимать. А это дополнительные энергетические и денежные затраты. Так же не стоит забывать о безопасности.

Впрочем, тут тоже есть решение — в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство — топливный преобразователь, при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°С) преобразующее спирты в смесь газообразных H2 и CO2. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности — такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.

Катализатор

Для повышения протекания реакции в ТЭ поверхность анода обычно катализатором. До не давнего времени в качестве катализатора использовалась платина. Поэтому стоимость топливного элемента была высока. Во-вторых, платина относительно редкий металл. По мнению специалистов, при промышленном производстве топливных элементов разведанные запасы платины закончатся через 15-20 лет. Но ученые всего мира пытаются заменить платину на другие материалы. Кстати некоторые из них достигли неплохих результатов. Так китайские ученые заменили платину на окисел кальция (источник: www.cheburek.net).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Впервые топливный элемент в автотехники испытали в 1959 г. Трактор Элис-Чемберз, использовал для работы 1008 аккумуляторов. Топливом являлась смесь газов, в основном пропана и кислорода.

трактор.JPG

Источник: planetseed.com/

С середины 60-ых в разгар «космической гонки» топливными элементами заинтересовались создатели космических аппаратов. Работа тысяч ученых и инженеров позволила выйти на новый уровень, и в 1965г. топливные элементы был испытаны в США на космическом корабле «Джемини-5», а в дальнейшем — на кораблях «Аполлон» для полетов на Луну и по программе «Шатл». В СССР топливные элементы разрабатывали в НПО «Квант», тоже для использования в космосе (источник: www.powerinfo.ru/).

Так как в топливном элементе конечным продуктом сгорания водорода является вода, то они считаются наиболее чистыми с точки зрения влияния на окружающую среду. Поэтому свою популярность ТЭ стали приобретать на фоне всеобщей заинтересованности в экологии.

Уже в настоящее время производители автомобилей, такие как «Honda», «Ford», «Nissan» и «Mercedes-Benz» создали автомобили работающие на водородных топливных элементах.

Мерс.jpg
Mercedes-Benz – Ener-G-Force, работающий на водороде

При использовании автомобилей на водороде, решается проблема с хранением водорода. Строительство заправок с водородом позволит получить возможность заправки в любом месте. Тем более заправлять автомобиль водородом быстрее, чем заряжать электромобиль на заправке. Но при реализации подобных проектов столкнулись с проблемой как у электромобилей. Люди готовы «пересесть» на автомобиль на водороде, если будет инфраструктура для них. А строительство заправок начнется, если будет достаточное количество потребителей. Поэтому опять пришли к дилемме яйца и курицы.

Широкое применение топливные элементы нашли в мобильных телефонах и ноутбуках. Уже прошло то время когда телефон заряжали раз в неделю. Сейчас телефон заряжается, чуть ли не каждый день, а ноутбук без сети работает 3-4 часа. Поэтому производители мобильной техники решили синтезировать топливный элемент с телефонами и ноутбуками для зарядки и работы. Например, компания «Toshiba» в 2003г. продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он дает мощность порядка 100мВт. Одной заправки в 2 кубика концентрированного (99,5%) метанола достаточно на 20 часов работы МРЗ-плеера. Опять же, та же «Toshiba» демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером 275x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки.

Но некоторые производители пошли дальше. Компания «PowerTrekk» выпустила зарядное устройство с одноименным названием. PowerTrekk — первое зарядное водяное устройство в мире. Использовать его очень легко. В PowerTrekk необходимо добавить воды, чтобы обеспечить мгновенную подачу электричества через шнур USB. Данный топливный элемент содержит кремниевый порошок и силицид натрия (NaSi) при смешивании с водой, данное сочетание генерирует водород. Водород смешивается с воздухом в самом топливном элементе, и он преобразует водород в электричество посредством его мембранно-протонного обмена, без вентиляторов или насосов. Купить такое портативное зарядное устройство можно за 149 € (источник: http://www.powertrekk.com/)

powertrekk.jpg
Зарядное устройство PowerTrekk

Таким образом, топливные элементы уже практически вышли на рынок мобильной электроники. Производителям осталось решить последние технические задачи перед тем, как начать массовый выпуск.

Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт. Но, несмотря на значительный прорыв в улучшении характеристик топливных элементов, нужно решить еще много проблем, связанных с их стоимостью, надежностью, безопасностью.

Не так давно была высказана гипотеза использования топливных элементов совместно с объектами ВИЭ. Для стабилизации выдачи электроэнергии было предложено использовать выработанную электроэнергию для электролиза воды. Полученный водород использовать в качестве топлива для ТЭ. Тем самым подавать электроэнергию в том момент, когда это необходимо. Но такие системы дорогостоящие и не имеют экономической эффективности.

Топливный элемент экологически чистый источник энергии. При работе топливного элемента не выделяются парниковые газы. На выходе мы имеем воду. Чтобы доказать это, японский авто-производитель «Honda» предлагает любому желающему выпить воду из выбросов ее автомобиля, работающем на топливном элементе. По словам производителя, это абсолютно без вреда для здоровья. Новый питьевой продукт получил незамысловатое название – H2O (Источник: http://www.cheburek.net/).

Honda-H2O.jpg
Бутилированная вода, собранная из выхлопной трубы Honda FCX Clarity

ВЫВОД

Целюк Алексей
Целюк Алексей
Инженер ОДО «ЭНЭКА»

Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно создать новые оригинальных идеи. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов. Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо (например, метанол) подается в топливный элемент вместе с окислителем. Во-вторых, ученные сообщают о новых способах получения водорода не только в промышленных масштабах, но и для использования в меньших масштабах.

Развитие науки и создание новых материалов дает надежду на использование топливных элементов в повседневной жизни. По мнению специалистов, ТЭ займут свое место при стоимости порядка 170-200 $/кВт.

В обход Карно. Как работают топливные элементы и почему за ними будущее

— Топливные элементы бывают разного строения, но принцип работы у всех них практически одинаковый: есть два электрода, они разделены мембраной с проводимостью по ионам кислорода или протонам, а на электродах протекают различные электрохимические реакции. Например, на одном электроде топливного элемента в присутствии ионов кислорода окисляется топливо — в результате образуются электроны, уходящие во внешнюю цепь, и продукты окисления — водяной пар и углекислый газ. А на другом электроде электроны из внешней цепи взаимодействуют с кислородом воздуха и образуются ионы кислорода, которые переносятся через мембрану к первому электроду.

— Это в чем-то похоже на работу аккумулятора?

— Если только самим принципом работы, основанном на электрохимических реакциях на электродах. В остальном это совершенно разные вещи: аккумуляторы циклически накапливают и отдают электроэнергию, а топливные элементы могут ее постоянно производить — надо только подводить топливо и окислитель, например кислород. При этом в топливных элементах химическая энергия напрямую превращается в электрическую, минуя цикл Карно. Сжигая углеводороды в тепловых двигателях, мы сначала преобразуем их химическую энергию в тепловую, потом тепловую — в механическую, и только потом — механическую в электрическую. На каждом этапе теряется эффективность, и КПД даже самых больших электростанций составляет около 40%. В топливных элементах мы как бы электрохимически сжигаем топливо без дополнительных промежуточных стадий, и в результате их КПД достигает 60%.

— Какие топливные элементы делают у вас в институте и какой у них КПД?

— Мы специализируемся на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах. Их мембраны изготовлены из смеси оксидов и проводят не протоны, а кислород. Наш институт с начала 1960-х годов был лидером области не только в Советском Союзе, но и в Европе. В конце 80-х мы сделали первый в Европе киловаттный топливный элемент. Сейчас мы ушли далеко вперед — повысили мощности, пробуем топливные элементы с мембранами на основе протонпроводящих электролитов вместо твердооксидных мембран, а максимальный электрический КПД наших установок — 34—37%. Я говорю «электрический», потому что в системе кроме электричества еще выделяется некоторое количество тепла, которое тоже можно утилизировать и использовать.

— Почему топливные элементы называются высокотемпературными?

— Наша мембрана начинает проводить кислород только при температуре выше 600 °C, отсюда и название. Устройство надо сначала разогреть, а потом оно за счет собственного тепла будет поддерживать нужную температуру — такой топливный элемент с «зажиганием».

— Какое топливо нужно для ваших топливных элементов?

— В качестве топлива мы обычно используем природный газ, а в качестве окислителя — всегда кислород воздуха. На входе топливного элемента стоит реформер, который может преобразовывать любое углерод-содержащее топливо в синтез-газ — смесь СO и H2. Поэтому вместо природного газа мы можем использовать и торф, и стружку, и разнообразное биотопливо. Например, мы делали работу совместно с Институтом нефтехимического синтеза, в которой показали, что с помощью наших топливных элементов можно получать электроэнергию из продуктов брожения, из браги.

— Обычно для таких эффективных и всеядных топливных элементов нужны дорогие материалы.

— Мы используем широкую гамму материалов, например диоксид циркония, стабилизированный иттрием, из которого делают мембраны. Или платину — это прекрасный материал, устойчивый как в окислительной, так и в восстановительной среде и катализирующий многие электрохимические реакции, а потому идеально подходящий для электродов. Но при переходе от первых лабораторных образцов к опытным образцам мы стараемся заменить соединения, содержащие драгоценные металлы, на другие материалы: вместо платиновых электродов для анода берем никелевый кермет, для катода — манганит лантана стронция.

— Кто изготавливает ваши топливные элементы?

— Первые опытные образцы мы делали сами, а сейчас плотно взаимодействуем с Росатомом, а точнее — с Уральским электрохимическим комбинатом. Там есть классные, очень высокой квалификации ребята, с которыми очень удобно работать. Раньше они занимались щелочными топливными элементами, но у этого типа топливных элементов очень высокие требования по чистоте топлива и другие сложности. Теперь мы работаем вместе, что позволяет пускать наши наработки уже в натуру, в производство.

— Какого размера и мощности образцы у вас уже есть?

— У нас есть налаженное производство топливных элементов мощностью в 1,5 кВт. Их высота и длина — около метра, а ширина — около 700 миллиметров.

Топливные элементы могут работать на разном биотопливе: жидком (метанол, этанол), газообразном (синтез-газ, водород) и твердом (солома, биомасса или прессованные брикеты стружки, как на фото). Фото: FabrikaSimf / Фотодом / Shutterstock

— Можно ли совместить топливные элементы с современной энергетикой?

— В этом главная сила топливных элементов — они идеально сочетаются со многими другими устройствами. Например, можно делать тандем из топливного элемента и аккумулятора или суперконденсатора, которые накапливают электроэнергию. Такой тандем будет гибко реагировать на изменение нагрузки: топливный элемент постоянно производит энергию, часть которой идет во внешнюю сеть, а часть — запасается в накопителе, чтобы подстраховать топливный элемент в период пикового потребления. Или можно делать тройную систему из солнечной батареи, топливного элемента и электролизера, способного получать водород и кислород из воды. Здесь уже немного другая история: мы сглаживаем не пики потребления, а пики производства энергии. Когда света много, батарея питает внешнюю цепь, а избыток энергии идет на электролизер, который нарабатывает топливо для топливного элемента. Когда свет уходит — ночью, в пасмурное время, — производить энергию начинает уже топливный элемент. Подобными системами распределенной энергетики интересуются в Министерстве обороны и в ЖКХ: можно не тянуть провода к каждому дому или коттеджу, а использовать газ или тандем солнечных батарей и топливных элементов.

— Насколько это актуально в масштабах нашей страны с экономикой, построенной на углеводородах?

— Очень актуально. Вы забываете про атомную энергетику: атомные электростанции работают на одной мощности и днем и ночью в любое время года. Там значительно сложнее регулировать мощность, чем в тепловых электростанциях. Поэтому система с обратимыми топливными элементами, совмещенными с электролизерами, отлично подходит для атомных электростанций.

— Вы упоминали производство Росатома. У вас уже есть коммерческие контракты в этой области?

— Коммерческих контрактов нет, но заинтересованность уже серьезная. Кроме того, мы работаем с «Газпромом», а точнее — с «Уралтрангазом»: они хотят использовать наши топливные элементы для автономных станций защиты газопроводов от коррозии. Раньше для этих целей параллельно газопроводам пускали линии электропередачи, но теперь понимают, что удобнее и дешевле эти станции запитывать от топливных элементов, расставленных вдоль газопровода.

— Многие говорят про топливные элементы для автомобилей.

— Где-то месяца полтора тому назад мы встречались по этому вопросу с директором КамАЗ, но пока нужно очень серьезно поработать, чтобы изменить дизайн наших элементов и сделать их пригодными для автопрома.

Юрий Зайков. Фотография из личного архива

— Над какими фундаментальными вопросами, связанными с топливными элементами, вы сейчас работаете?

— Сейчас мы больше всего работаем с протон-проводящими электролитами, призванными заменить твердооксидные мембраны с проводимостью по ионам кислорода: исследуем их физико-химические, электрохимические и механические свойства, изучаем механизмы и причины деградации. Это очень важный вопрос для практики, потому что для потребителя есть огромная разница между устройством, работающим 10 000 часов и 100 000 часов. Мы создали совместную лабораторию Уральского федерального университета и нашего Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (УрФУ и ИВТЭ УрО РАН), научным руководителем которой является греческий ученый Панайотис Циакарас, специалист в области исследования структуры и свойств твердых электролитов.

— Как вы познакомились с Циакарасом и как организовано взаимодействие с ним?

— Один из наших сотрудников в начале 2000-х годов работал в совместном проекте с профессором Циакарасом, а потом постепенно личные контакты переросли во взаимодействие лабораторий. Циакараса привлекла наша научная и экспериментальная база, и последние годы мы работали очень плотно. Я бывал у него на семинарах в лаборатории, он приезжал к нам, и сейчас мы обсуждаем, чтобы наши студенты могли проходить практику у него в лаборатории в Фессалийском университете.

— Как организовано взаимодействие между университетом и институтом в совместной лаборатории?

— Я одновременно и заведующий кафедры в университете, и директор нашего института, так что такое взаимодействие было поставлено уже давно. Но только раньше оно держалось на моем административном ресурсе, а теперь мое участие уже не нужно, все абсолютно официально. У нас регулярно проходят совместные обсуждения, молодые ребята из университета проходят у нас практику, работают, получают важную информацию из первых рук, а сотрудники института пользуются научной и производственной базой университета — это очень серьезное подспорье.

— Юрий Павлович, когда эта работа выльется в коммерческий образец, вы возьмете один для себя?

— Да, конечно. Сейчас мы дошли до мощности в 1,5 кВт, чего в России на твердооксидных топливных элементах никто не делал. Плюс мы вместе с «Уралтрансгазом» показали уже полтора года непрерывной безаварийной работы нашей установки, так что работа движется. И как только будет возможность, я обязательно возьму себе наш топливный элемент для загородного коттеджа. По-моему, это очень удобно.

— Вы верите, что это будет эффективнее обычной электросети?

— Да, конечно. Более того, я вообще не представляю современную энергетику без электрохимической. Мы каждый день пользуемся батарейками и аккумуляторами в часах, телефонах, пультах для телевизора. Появляются электромашины, а в перспективе будут и более глобальные решения. Прямое эффективное преобразование химической энергии в электрическую — это невероятно выгодно. И экологично: топливные элементы выделяют во внешнюю среду только водяной пар и углекислый газ, причем в несколько раз меньше, чем используемые в настоящее время дизель-генераторы.

Топливные элементы: виды и принцип работы

Экология познания.Наука и техника: Водородная энергетика является одной из самых высокоэффективных отраслей, а топливные элементы позволяют ей оставаться на передовой инновационных технологий.

Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.

Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элементвключает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента – это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр.,топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Принцип работы топливных элементов

Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.

Топливные элементы: виды и принцип работы

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород — на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

Типы топливных элементов

Топливные элементы: виды и принцип работы

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения. Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород.

Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять «внутреннее преобразование» топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ).

Топливные элементы: виды и принцип работы

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.

Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению», и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).

Топливные элементы: виды и принцип работы

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы: виды и принцип работы

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Топливные элементы: виды и принцип работы

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.

Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Топливные элементы: виды и принцип работы

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:

Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы — самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов — такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

Топливные элементы: виды и принцип работы

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

Топливные элементы: виды и принцип работы

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *