Топливные элементы

Топливный элемент - это устройство, которое использует источник топлива, например водород, и окислитель для создания электричества в результате электрохимического процесса.
Использование химической энергии водорода или других видов топлива обеспечивает экологически чистое и эффективное производство электроэнергии.
Если топливом является водород, то единственными продуктами будут электричество, вода и тепло.
Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциального применения:

• широкий спектр топлива и сырья;
• обеспечение электроэнергией большие системы и маленькие;
• на транспорте;
• в промышленных/коммерческих/жилых зданиях;
• долгосрочное хранение энергии в обратимых системах.

Отличие аккумуляторных батарей от ТЭ:

• для поддержания химической реакции ТЭ требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха);
• в аккумуляторной батарее химическая энергия обычно поступает от веществ, которые уже присутствуют в батарее.

ТЭ могут непрерывно вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока подаются топливо и кислород.

Преимущества ТЭ

ТЭ имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями сжигания, которые в настоящее время используются на многих электростанциях и транспортных средствах:

• более высокий КПД, чем двигатели внутреннего сгорания (ДВС);
• могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 60%;
• имеют более низкие или 0 выбросы по сравнению с ДВС;
• водородные ТЭ выделяют только воду, решая критические климатические проблемы:
• отсутствуют выбросы углекислого газа,
• отсутствуют загрязнители воздуха, которые создают смог и вызывают проблемы со здоровьем в месте эксплуатации;
• работают бесшумно, поскольку в них мало движущихся частей.

Конструкция ТЭ:

• вещество - электролит, которое обычно определяет тип топливного элемента и может быть изготовлено из ряда веществ, таких как гидроксид калия, карбонаты солей и фосфорная кислота;
• используемое топливо. Наиболее распространенным топливом является водород;
• анодный катализатор, обычно мелкодисперсный порошок платины, расщепляет топливо на электроны и ионы;
• катодный катализатор, часто никелевый, преобразует ионы в отработанные химические вещества, причем наиболее распространенным типом отходов является вода;
• газодиффузионные слои, предназначенные для противодействия окислению.

Как работают ТЭ

ТЭ работают как аккумуляторы, но они не разряжаются и не требуют подзарядки.
ТЭ производят электроэнергию и тепло, пока подается топливо.
ТЭ состоит из 2 электродов - отрицательного электрода ( анода) и положительного электрода (катода), зажатых вокруг электролита:

• на анод подается топливо, например водород, а на катод – воздух;
• в водородном ТЭ катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут к катоду разными путями;
• электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества;
• протоны мигрируют через электролит к катоду, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и тепло.

Элементы PEMFC обычно производят меньше оксидов азота, чем элементы ТОТЭ:

• они работают при более низких температурах;
• используют водород в качестве топлива;
• ограничивают диффузию азота в анод через протонообменную мембрану, которая образует NOx.

Энергоэффективность ТЭ обычно составляет 40 - 60%, но если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации, может быть получен КПД до 85%.

Типы топливных элементов

Операции всех ТЭ одинаковы, были разработаны специальные разновидности, позволяющие использовать преимущества различных электролитов и удовлетворять различные потребности применения.
Топливо и заряженные частицы, мигрирующие через электролит, могут быть разными, но принцип тот же:

• окисление происходит на аноде, а восстановление - на катоде;
• эти 2 реакции связаны заряженными частицами, которые мигрируют через электролит, и электронами, которые текут через внешнюю цепь.

Топливные элементы с полимерно - электролитной мембраной

ТЭ с полимерной электролитной мембраной (PEM) также называются тТЭ с протонообменной мембраной:

• используют:
• в качестве электролита - протонпроводящую полимерную мембрану,
• в качестве топлива - водород;
• работают при относительно низких температурах и могут быстро изменять свою выходную мощность в соответствии с меняющимися потребностями в мощности;
• является лучшим вариантом для питания автомобилей;
• можно использовать для стационарного производства электроэнергии;
• недостатки:
• из-за низкой рабочей температуры - не могут напрямую использовать углеводородное топливо (природный газ, СПГ, этанол),
• ископаемое топливо должно быть преобразовано в водород в установке для риформинга топлива, чтобы его можно было использовать в ТЭ PEM.

ТЭ с прямым метанолом

ТЭ с прямым метанолом (DMFC) аналогичен элементу PEM тем, что в качестве электролита в нем используется полимерная мембрана, проводящая протоны:

• но метанол используется непосредственно на аноде, что устраняет необходимость в установке для риформингатоплива;
• хороший вариант для питания портативных электронных устройств (портативные компьютеры и зарядные устройства), поскольку метанол обеспечивает более высокую плотность энергии, чем водород.

Щелочные ТЭ

• щелочные ТЭ используют:
• щелочной электролит, такой как гидроксид калия;
• или щелочную мембрану, которая проводит ионы гидроксида, а не протоны;
• ТЭ Бэкона с середины 1960^х гг. использовались в космических программах Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в космических миссиях, но теперь находят новые применения, например, в портативных источниках энергии.

ТЭ на фосфорной кислоте

• используют электролит на основе фосфорной кислоты, который проводит протоны, удерживаемые внутри пористой матрицы;
• работают при температуре около 200°C;
• используются в модулях мощностью 400 кВт и выше, для стационарного производства электроэнергии в гостиницах, больницах, продуктовых магазинах и офисных зданиях, где также можно использовать отходящее тепло;
• фосфорная кислота также может быть зафиксирована в полимерных мембранах, а ТЭ, использующие эти мембраны, представляют интерес для различного стационарного энергетического применения.

ТЭ с расплавленным карбонатом (MCFC)

• используется расплавленная карбонатная соль, зафиксированная в пористой матрице, которая проводит ионы карбоната в качестве электролита;
• применение: в различных стационарных установках среднего и крупного масштаба, где их высокая эффективность обеспечивает чистую экономию энергии;
• работают при высоких температурах (около 600°C), что позволяет им самостоятельно реформировать такие виды топлива, как природный газ и биогаз./li>

ТЭ с расплавленным карбонатом

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют тонкий слой керамики в качестве твердого электролита, который проводит оксидные ионы:

• разрабатываются для использования в различных стационарных силовых установках, а также во вспомогательных силовых устройствах для тяжелых грузовиков;
• работают при температуре 700–1000 °C с электролитами на основе диоксида циркония и при температуре всего 500 °C с электролитами на основе церия;
• могут осуществлять внутреннее преобразование природного газа и биогаза;
• могут быть объединены с газовой турбиной для производства электроэнергии, эффективность достигает 75%.

Комбинированные теплоэнергетические ТЭ

• помимо электроэнергии, ТЭ производят тепло;
• тепло можно использовать для отопления, горячее водоснабжение;
• представляют интерес для энергоснабжения домов и зданий, где достижим общий КПД до 90%;
• экономит энергию и снижает выбросы парниковых газов.

Регенеративные или обратимые ТЭ

• особый класс ТЭ;
• производит электричество из водорода и кислорода, но его можно реверсировать и питать электричеством для производства водорода и кислорода;
• эта новая технология может обеспечить:
• хранение избыточной энергии, вырабатываемой периодически возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), такими как ветряные (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС),
• высвобождать эту энергию в периоды низкого уровня генерации электроэнергии.

НИОКР

НИОКР ныне сосредоточены:

• на разработке недорогих компонентов ТЭ и баланса установки;
• на передовых подходах к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы.

Платина представляет собой один из крупнейших компонентов стоимости ТЭ с полимерным электролитом и мембраной, работающего на водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые:

• повысят активность и использование, а также снизят содержание современных катализаторов на основе металлов платиновой группы и их сплавов;
• позволят использовать катализаторы, не содержащие металов платиновой группы;
• обеспечат долгосрочное применение ТЭ.

Разработка инновационных материалов и стратегия интеграции:

• электролиты ионообменных мембран с повышенной эффективностью и долговечностью при меньших затратах;
• совершенствование мембранно-электродных сборок (МЭБ) с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ;
• моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации;
• разработку стеков с высоким КПД при номинальной мощности и высокопроизводительными компонентами противовыбросового оборудования, такими как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.

Перспективные цели по сроку службы системы ТЭ в реальных условиях эксплуатации:

• 8000 час для легковых автомобилей;
• 30000 час для тяжелых грузовиков;
• 80000 час для распределенных энергосистем.
• реальные условия эксплуатации включают запуск и остановку, замораживание и оттаивание, наличие примесей в топливе и воздухе, а также влажность и циклы динамических нагрузок, которые приводят к нагрузке на химическую и механическую стабильность материалов и компонентов системы топливных элементов.

Исследования и разработки направлены на выявление и понимание механизмов деградации ТЭ, а также на разработку материалов и стратегий для смягчения их последствий.