Топливная ячейка: Топливные элементы — ячейка (Fuel Cell)

начало большого пути / Блог компании Toshiba / Хабр

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Водородное будущее

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Топливные элементы (топливные ячейки)

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.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

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 (CO₃^2-). 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: CO₃^2- + H₂ => H

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 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 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)

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)

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)

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)

В твердокислотных топливных элементах электролит (C_sHSO₄) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO₄^2-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.

Новый материал для топливных элементов позволяет создавать долгосрочные «энергетические ячейки»

Литиевые батареи — отличное решение для хранения энергии, генерируемой солнечными батареями или иными источниками «зеленого» электричества. Но они достаточно быстро разряжаются, так что это краткосрочное решение — накопить энергию «впрок» не получится. Кроме того, для хранения реально больших объемов энергии нужны очень массивные хранилища (одно такое построил Илон Маск в Австралии).

Специалисты ищут подходящее решение уже многие годы, но пока что ничего радикального создать не удалось. Правда, в последнее время становятся популярнее топливные элементы, которые вырабатывают энергию из, например, водорода. На днях стало известно о новом виде топливных ячеек, которые работают сразу в двух направлениях — они могут вырабатывать электричество из метана или водорода, или же потреблять энергию и производить метан или водород.

КПД ячейки довольно высокий: если потратить определенный объем энергии на выработку метана или водорода, а затем пустить все в обратном направлении, то получить можно 75% потраченного ранее электричества. В принципе, весьма неплохо.

Ограничения

Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Но проточные аккумуляторные не такие эффективные, как традиционные батареи, а электролит, который в них используется обычно токсичен или же вызывает коррозию (а иногда и то, и другое).

Альтернатива, позволяющая хранить энергию в течение долгого времени — превращать излишки электричества в топливо. Но здесь все не так просто, обычные схемы преобразования энергии в топливо достаточно энергозатратные, так что КПД системы никогда не будет высоким. Кроме того, катализаторы для проведения реакции обычно дорогие.

Способ сократить расходы — использовать обратимый (реверсивный) топливный элемент. В принципе, они не являются чем-то новым. При работе в прямом направлении топливные элементы берут водород или метан в качестве топлива и вырабатывают электричество. Работая в обратном направлении, они вырабатывают топливо, потребляя электричество.

Как раз реверсивные топливные элементы — идеальный вариант для долгосрочного хранения энергии, а также для получения метана или водорода там, где они нужны.

Почему же они еще не используются повсеместно? Потому, что в теории все выглядит отлично, но на практике возникают непреодолимые сложности. Во-первых, многие такие элементы нуждаются в высокой температуре для работы. Во-вторых, они производят смесь водорода и воды, а не чистый водород (в большинстве случаев). В-третьих, КПД цикла ну очень невелик. В-четвертых, катализатор в большинстве существующих элементов быстро разрушается.

Выход из положения

Ученые усовершенствовали технологию, предложив в качестве материала для электродов Ba/Ce/Zr/Y/Yb и Ba/Co/Zr/Y. Для их работы нужна температура в 500 градусов Цельсия, что не проблема, плюс в производство вовлекается около 97% энергии, которая была подведена к системе. При этом ячейки работают на воде или воде и углекислом газе. Вырабатывают они водород, в первом случае, или метан, во втором.

КПД системы составляет около 75%. Не так хорошо, как у батарей, но для большинства целей и этого вполне достаточно. При этом электроды не разрушаются. После 1200 часов испытаний оказалось, что материал практически не деградировал.

Правда, остается еще одна проблема — дороговизна исходных материалов, которые используются для создания электродов. Тот же иттербий стоит примерно $14 000 за килограмм, так что создание действительно значительных по размеру топливных элементов может оказаться весьма дорогим удовольствием.

Но, возможно, разработчики смогут решить и эту проблему — во всяком случае, работа в этом направлении уже ведется.

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.

Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:

• НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
• ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
• ТИШИНА – низкий уровень шумов
• УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
• АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
• ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
• НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
• ЭКОНОМИЧНОСТЬ — привлекательная совокупная стоимость владения
• ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.

Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.

Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.

На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.

Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.

Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.

При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.

Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.

Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.

Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.

Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:

• Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
• Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
• Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
• Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
• Узлы передачи по протоколу WiMAX

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:

1. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
2. Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
3. Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
4. Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.

Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.

Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.

Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

Эти энергосберегающие установки производят тепло для отопления помещений и подогрева воды, а также электроэнергию, которая может быть использована в доме и отведена назад в электросеть. Распределенные источники выработки электроэнергии могут включать фотогальванические (солнечные) элементы и ветровые микротурбины. Эти технологии на виду и широко известны, однако их работа зависит от погодных условий и они не могут стабильно вырабатывать электроэнергию круглый год. По мощности теплоэнергетические установки могут варьироваться от менее чем 1 кВт до 6 МВт и больше.

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.

На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.

Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.

Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.

1. Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
2. Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
3. Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
4. Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
5. Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
6. Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
7. Выход воды: отсутствует.
8. Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу

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

 — Что такое топливные элементы?

— 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.

— 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.

 — 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.

Юрий Зайков, директор ИВТЭ УрО РАН и профессор УрФУ

 Михаил Петров

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.

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: 2h3 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2h3O
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

Типы топливных элементов

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 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- + h3 => h3O + CO2 + 2e-
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: h3(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => h3O(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 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 (h4PO4) 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: 2h3 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2h3O
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

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 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: 2h3 + 4OH- => 4h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2h3O + 4e- => 4OH-
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

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)

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: 2h3 + 2O2- => 2h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

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 (Ch4OH) 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: Ch4OH + h3O => CO2 + 6H+ + 6e-
Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3h3O
Общая реакция элемента: Ch4OH + 3/2O2 => CO2 + 2h3O

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)

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: 2h3 + 4OH- => 4h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2h3O + 4e- => 4OH-
Общая реакция системы: 2h3 + O2 => 2h3O

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, h3O и Ch5, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды h3O+ (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)

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.

Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках

описание, характеристики, принцип работы, фото

Топливный элемент — устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

История появления

В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета — электричество, воду и тепло.

Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века — в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.

Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные способы получения электроэнергии. Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.

Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Типы

Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории — высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Общие понятия

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.

Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов — катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.

Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

• Повышенная удельная теплоемкость.
• Широкий температурный диапазон эксплуатации.
• Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
• Надежность при холодном запуске.
• Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
• Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
• Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
• Длительный срок эксплуатации.
• Бесшумность и экологичность работы.
• Высокий уровень энергоемкости.
• Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Область применения

Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:

• Портативные зарядные устройства.
• Энергоснабжающие системы для БПЛА.
• Источники бесперебойного питания.
• Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка — высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины — порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента — он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью — электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку — заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

Топливный элемент — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Топливный элемент вырабатывает электричество, используя энергию, выделяемую при смешивании топлива с воздухом, в результате реакции образуется вода, а иногда и углекислый газ. Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, который при взаимодействии с кислородом воздуха производит только воду. Топливные элементы работают как аккумулятор, который постоянно питается топливом, поэтому он никогда не разряжается (пока у вас достаточно топлива). Топливные элементы — важная часть водородной экономики.Молекулы водорода содержатся в таких веществах, как метан, вода и биомасса, но во всех случаях для его извлечения требуется некоторая энергия. Есть два распространенных способа производства водорода — его можно отделить от большинства видов топлива, таких как нефть, газ, уголь, в процессе, называемом паровым риформингом, или его можно извлечь из воды, используя процесс, называемый электролизом. Если водород отделяется от ископаемого топлива, выделяется диоксид углерода. Если энергия, используемая для извлечения его из воды посредством электролиза, поступает от солнца или ветра, то производимый водород является безвредным, поскольку не происходит выбросов.Водород также можно отделить от возобновляемого биогаза, что означает, что выделяемый углерод не имеет ископаемого происхождения и, следовательно, является частью естественного углеродного цикла.

Вода — это молекула, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Для разделения воды на кислород и водород требуется энергия, и энергия высвобождается, когда они снова объединяются в воду. Топливный элемент объединяет водород и кислород, высвобождая энергию в виде электричества.

Топливо (источник энергии, обычно водород) и воздух (содержащий кислород) помещаются с противоположных сторон топливного элемента. В середине топливного элемента есть «экран», называемый электролитом, зажатый между двумя металлическими пластинами, называемыми электродами, который разделяет топливо и воздух. Различные виды топливных элементов получают свои названия в зависимости от того, какой тип экрана используется для разделения топлива и воздуха. Экран пропускает через себя только определенные заряженные молекулы, также известные как ионы.

Чтобы создать ионы, электроны должны переноситься с одной стороны системы на другую. Электроны отделяются от топлива металлической пластиной на стороне топлива, и им необходимо переместиться на сторону воздуха, чтобы завершить реакцию. Поскольку экран не пропускает электроны, они проходят через отдельный провод к другой металлической пластине со стороны воздуха. Путешествие электронов создает электрический ток (электричество). В проводе можно использовать электричество. Например, провод можно разрезать пополам, а между двумя половинками подключить лампочку.

Тем временем ионы проходят через экран и реагируют с молекулами (уже на другой стороне) и электронами (которые проходят через провод, отдавая энергию силовой электронике) на другой стороне. Образуется вода (и, в зависимости от типа топлива, иногда и другие продукты), которая выходит через выхлопную трубу.

Топливные элементы производят электричество, соединяя кислород и водород. КПД очень хороший (около 40% -70%). Их максимальная эффективность составляет 83%, если во время реакции используется выхлопное тепло.Кроме того, топливные элементы могут использовать различные виды топлива, например, природный газ, метанол, LPG (сжиженный нефтяной газ), нафта, керосин и т. Д.

Некоторые типы топливных элементов производят только воду, что означает отсутствие загрязнения. Большинство типов топливных элементов вызывают намного меньше выбросов, чем классическая («калорийная») выработка энергии. Они могут потреблять те же виды топлива, что и классические генераторы, например, дизельные двигатели, но они примерно в два раза эффективнее, то есть они могут производить такое же количество энергии при вдвое меньшем количестве топлива и, следовательно, по крайней мере в два раза меньше загрязнения.Кроме того, использование топливных элементов прямого преобразования имеет меньший риск образования вторичных выбросов, таких как NOx, SOx и твердые частицы, которые являются побочными эффектами сгорания, способствуют глобальному потеплению и известны как основные загрязнители.

Топливные элементы очень тихие. У них нет движущихся частей, кроме некоторых вентиляторов для перемещения воздуха и насосов для перемещения воды, что означает, что они очень редко требуют ремонта, однако некоторые большие топливные элементы, используемые для питания таких вещей, как здания, могут быть довольно хрупкими.

Из-за очень низких выбросов загрязняющих веществ топливные элементы часто используются в транспортных средствах, которые перемещаются внутри зданий, например, в вилочных погрузчиках. Поскольку они очень тихие, их используют на некоторых военных подводных лодках, чтобы избежать обнаружения. Топливо используется более эффективно, а это означает, что топливные элементы могут работать дольше, не получая нового топлива. Это позволяет использовать их в труднодоступных местах, таких как метеорологические или исследовательские станции, космические корабли или военные базы.

Поскольку космические корабли запускаются с использованием ракет, содержащих чистый водород и кислород, бортовая электроэнергия вырабатывается с помощью очень эффективных топливных элементов, которые могут использовать это топливо.Кроме того, топливные элементы космических кораблей производят чистую воду на своих выхлопах, которую можно собирать и использовать в качестве питьевой воды для космонавтов, что означает, что абсолютно ничего не теряется.

Топливные элементы можно классифицировать по типу внутреннего экрана (электролит). Например, топливные элементы на основе фосфорной кислоты предназначены для низких температур. Он используется в сотовых телефонах и автомобильных источниках питания, которые требуют больших токов, потому что это намного безопаснее. Щелочные топливные элементы обычно содержат гидроксид калия (КОН).Топливные элементы на метаноле используются путем электрохимической реакции с метанолом. Этот тип топливного элемента — лучший выбор для более простой системы. Но топливные элементы на метаноле имеют низкую выходную плотность, поскольку скорость их реакции низкая.

Некоторые важные типы топливных элементов:

• Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) — Топливные элементы на основе фосфорной кислоты сегодня коммерчески доступны. Это наиболее распространенные топливные элементы для комбинированного производства тепла и электроэнергии.
• Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM) — Эти топливные элементы работают при относительно низких температурах (около 175 ° F), имеют высокую удельную мощность, могут быстро изменять свою выходную мощность, чтобы соответствовать изменениям в потребляемой мощности, и подходят для приложений, например, в автомобилях, где требуется быстрый запуск.Все коммерческие автомобили на топливных элементах используют этот тип топливных элементов. Недостатком этих топливных элементов является то, что для них требуется водород высокой чистоты, производство которого требует больших затрат.
• Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC) — Эти топливные элементы работают при очень высоких температурах, что позволяет им преобразовывать более сложные виды топлива, такие как природный газ, в водородное топливо, которое будет использоваться самим элементом. Для их запуска и выключения требуется несколько часов, поэтому они используются только в приложениях, где они могут работать непрерывно, например, стационарные источники питания для крупных зданий / предприятий.
• Микробный топливный элемент (MFC) — Топливный элемент, который использует дышащие микробы для преобразования органических субстратов в электрическую энергию с помощью окислительно-восстановительных реакций.

Топливные элементы находят множество применений — крупные автопроизводители работают над коммерциализацией автомобилей на топливных элементах. Toyota и Honda выпустили Mirai и Clarity соответственно. Топливные элементы используются в автобусах, лодках, поездах, самолетах, скутерах, вилочных погрузчиках и велосипедах. Есть торговые автоматы на топливных элементах, пылесосы ^[1] и дорожные знаки.Прогнозируются миниатюрные топливные элементы для сотовых телефонов, портативных компьютеров и портативной электроники. Больницы, центры кредитных карт, полицейские участки и банки используют топливные элементы для обеспечения питания своих учреждений. Станции очистки сточных вод и свалки используют их для преобразования производимого ими метана в электричество. Топливные элементы давно используются в космосе. Телекоммуникационные компании используют топливные элементы в сотовых телефонах, радиостанциях и на вышках службы экстренной помощи.

1. ↑ «Очистка топливных элементов».1 июня 2001 г.

Как работает топливный элемент

Энергия из химии

Топливные элементы чисто и эффективно преобразуют химическую энергию из богатого водородом топлива в электрическую энергию и высококачественное тепло с помощью электрохимического процесса, который является эффективным и скорее выделяет воду чем загрязняющие вещества, так как топливо не сжигается.

Подобно батарее, топливный элемент состоит из множества отдельных элементов, которые сгруппированы вместе, чтобы сформировать батарею топливных элементов .Каждая отдельная ячейка содержит анод, катод и слой электролита. Когда топливо, богатое водородом, такое как чистый природный газ или возобновляемый биогаз, попадает в батарею топливных элементов, оно вступает в электрохимическую реакцию с кислородом (т.е. с окружающим воздухом) с образованием электрического тока, тепла и воды. В то время как обычная батарея имеет постоянный запас энергии, топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока есть топливо.

Электростанции SureSource компании FuelCell Energy основаны на технологии карбонатных топливных элементов.Карбонатный топливный элемент получил свое название от электролита, который состоит из карбонатов калия и лития. Для производства электроэнергии карбонатные топливные элементы генерируют водород непосредственно из источника топлива, такого как природный газ или возобновляемый биогаз, в процессе внутреннего риформинга. Этот подход, запатентованный FuelCell Energy, является явным конкурентным преимуществом карбонатных топливных элементов, поскольку позволяет использовать легкодоступные виды топлива.

Как показано на диаграмме выше, топливо подается в батарею топливных элементов, где метан (CH ₄ ) из топлива подвергается внутреннему риформингу с образованием водорода (H ₂ ) и диоксида углерода (CO ₂ ).Отработавшее топливо выходит из анода и расходуется на подачу кислорода (O ₂ ) и CO ₂ на катод. Тепло и водяной пар (H ₂ O) выходят из катода. Результирующие электрохимические реакции в аноде и катоде топливного элемента производят мощности постоянного тока (DC) , которая затем преобразуется в мощность переменного тока (AC) за счет электрического баланса установки. Катодный выхлоп поставляет тепло для подогрева поступающего топлива и извне потребителю для обогрева и охлаждения помещения или для производства пара.

Поскольку не происходит сгорания топлива, топливные элементы практически не производят вредных выбросов. Это приводит к выработке электроэнергии, в которой почти полностью отсутствуют образующие смог оксид азота (NOx), диоксид серы (SOx), образующий кислотные дожди, или твердые частицы (PM), которые могут усугубить астму.

продуктов для топливных элементов

FuelCellsEtc, ведущий производитель мембранных электродных сборок (и других коммерческих топливных элементов) , специализируется на поставках компонентов топливных элементов с PEM с непревзойденным качеством обслуживания и обслуживания клиентов. Наши главные продукты для топливных элементов включают сборки мембранных электродов (MEA), мембраны с каталитическим покрытием (CCM), газодиффузионные электроды (GDE) и другие материалы, связанные с топливными элементами.

Помимо компонентов водородно-воздушных топливных элементов, мы производим компоненты для топливных элементов с прямым метанолом (DMFC) и высокоэффективных водородно-кислородных топливных элементов.

Ознакомьтесь со всеми продуктами, которые мы можем предложить, на нашем веб-сайте магазина:

• Оборудование для топливных элементов
  • Гидриды металлов с твердым H
  • Мониторы напряжения

• Мембранные электродные сборки (MEA)
  • Custom 5-Layer MEA– Сделайте свой собственный и затем купите его (по мгновенным ценам)!
  • Водородный воздух
  • Водород Кислород
  • Метанол прямого действия
• Мембраны с катализатором (CCM)
  • Электролизер
  • Водород Кислород
  • Реверсивный

• Газодиффузионные электроды (GDE)
  • Стандартная загрузка GDE
  • Высокая производительность GDE

• Газодиффузионные слои (GDL)
  • Карбоновая ткань
  • Копировальная бумага

• Мембраны
  • Мембрана Nafion ™ XL, 212, 115, 117 и другие!

• Катализаторы
  • Черный платиновый — Высококачественный
  • Платина на вулкане (углерод) — 10-60%
  • Платина Рутений (Pt 50%, Ru 50%)

Щелкните здесь, чтобы купить мембранные электродные сборки, мембраны с катализаторным покрытием и газодиффузионные электроды, а также другие компоненты топливных элементов в нашем онлайн-магазине топливных элементов.

ООО «Топливные элементы»

TT124 Полное устройство, готовое к установке на любом Тракторный прицеп или тяжелая техника в том же класс двигателя. 62 X 2 ряда, 12-14 В, конфигурация Установка 16-20 л / мин

TT310 в 62 пластине X 5 рядов
Конфигурация 12-14 В
Установка 50 л / мин

TT129 43 Пластина X 3 ряда
Конфигурация 12-14 В
Блок 10-24 LPM

Нажмите Здесь, чтобы перейти непосредственно к нашему грузовому ящику (система TT124 для тракторных прицепов)

ТТ Сухие элементы серии HHO

Сухие элементы HHO серии TT от Fuel Cell LLC являются разработан для более крупных приложений, начиная от регулирование возможностей резака промышленного уровня и коммерческие печи для замены существующих пропановых и потребности в природном газе, для обеспечения дополнительных Источники топлива для Морских, Седельных Прицепов, Тяжелых Оборудование, большие генераторы или любое другое топливо требование для более крупных приложений.

Любая ячейка серии ТТ может также производиться для источников питания переменного тока или для 24/48 вольт.

Пользовательский Сборки: Заказчик должен запросить сборку. Мы построим агрегат под конкретного заказчика потребности, т.е. единичное размещение коробки.Вертикальный, горизонтальное, боковое крепление, какой тип коробки ли это быть стальным, алюминиевым, ярким протектором, черным, белым, хром, синий, желтый, оранжевый. Вы называете это, мы более чем счастлив настроить устройство для вашего потребности.

ТТ Модели доступны по запросу

• TT93 93 Пластины (конфигурация 31X3) 9-18 л / мин L8 «XW12» XH8 «

• TT114 114 пластин (конфигурация 19X2X3) 9-18 л / мин L8 «XW12» XH8 «

• TT124 124 пластины (конфигурация 2X62) 16-20 л / мин L12 «XW9» XH8 «

• TT129 129 пластин (конфигурация 31X3) 10-24 л / мин L8 «XW12» XH8 «

• TT186 186 пластин (конфигурация 62X3) 18-36 л / мин — L12 «XW12» XH8 «

• TT248 248 пластин (конфигурация 62X4) 24-48 л / мин — L12 «XW18» XH7 «

• TT310 310 пластин (конфигурация 62X5) 32-50 л / мин — L12 «XW24» XH7 «

Это массивные ячейки для требований HHO промышленного уровня, эти ячейки предназначены для доставки больших объемов изготовление HHO по запросу для любых нужд из промышленного металла магазины для морского пароходства.Эти модели требуют время выполнения заказа 2-3 недели с момента заказа до отправлено. Каждая единица изготавливается по индивидуальному заказу, в связи с большой расход материала при изготовление и сборка.

* Если напряжение вашего оборудования не 12-14 В постоянного тока, мы более чем счастлив настроить любую из этих ячеек специально для вашего источника напряжения.