Технология преобразования энергии в виде топливных элементов

Топливный элемент-это электрохимическое устройство, подобное первичной или вторичной батарее, которое преобразует химическую энергию из топлива непосредственно в электрическую; но в отличие от батарей, процесс преобразования энергии в топливном элементе непрерывен при непрерывной внешней подаче топлива.

Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда используются углеводороды, такие как природный газ и спирты, такие как метанол.

Топливные элементы отличаются от батарей тем, что они требуют постоянного источника топлива и кислорода для работы, но они могут производить электричество непрерывно до тех пор, пока эти источники поставляются.

Каждый топливный элемент имеет два электрода, один положительный и один отрицательный, называемые соответственно анодом и катодом. Реакции, которые производят электричество, происходят на электродах.

топливный элемент

Виды топливных элементов

Существует несколько видов топливных элементов, и каждый работает немного по-разному.

Но в общих чертах принцип работы в том, что атомы водорода попадают в топливный элемент на аноде, где химическая реакция лишает их электронов. Атомы водорода теперь “ионизированы” и несут положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные электроны обеспечивают ток через провода для выполнения работы. Если требуется переменный ток (AC), то выход постоянного тока топливного элемента должен быть направлен через преобразовательное устройство, называемое инвертором.
Кислород поступает в топливный элемент на катоде и там соединяется с электронами, возвращающимися из электрической цепи, и ионами водорода, прошедшими через электролит с анода. В других типах клеток кислород захватывает электроны и затем перемещается через электролит к аноду, где он соединяется с ионами водорода.
Электролит играет ключевую роль. Он должен пропускать только соответствующие ионы между анодом и катодом. Если бы свободные электроны или другие вещества могли проходить через электролит, они бы нарушили химическую реакцию.
Соединяются ли они на аноде или катоде, вместе водород и кислород образуют воду, которая вытекает из клетки. Пока топливный элемент снабжен водородом и кислородом, он будет вырабатывать электричество.

Щелочные

Щелочные топливные элементы работают на сжатом водороде и кислороде. В качестве электролита они обычно используют раствор гидроксида калия в воде. Эффективность около 70 процентов, и рабочая температура от 150 до 200 градусов C. Выходная мощность ячейки колеблется от 300 Вт (Вт) до 5 киловатт (кВт). Щелочные ячейки использовались в космических аппаратах “Аполлон” для обеспечения как электричества, так и питьевой воды. Однако им требуется чистое водородное топливо, а их платиновые электродные катализаторы стоят дорого. И как любой контейнер, наполненный жидкостью, они могут протекать.

Протонообменные мембранные

Протонообменные мембранные топливные элементы работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа. Для работы применяется водородное топливо и кислород из воздуха. Основой элемента является тонкая полимерная пленка, представляющая электролит.
КПД составляет от 40 до 50 процентов, а рабочая температура-около 80 градусов по Цельсию. Выходы ячеек обычно варьируются от о,о5 до 250 кВт. Твердый, гибкий электролит не будет протекать или трескаться, и эти ячейки работают при достаточно низкой температуре, чтобы делает их пригодными для домов и автомобилей. Автомобили на топливных элементах, в основном, применяют водород.

Как недостаток топливо должно быть чистым, а платиновый катализатор используется по обе стороны мембраны, что повышает затраты.

Твердооксидные

Твердооксидные топливные элементы используют в качестве электролита твердое керамическое соединение оксидов металлов (например, кальция или циркония). КПД составляет около 60 процентов, а рабочая температура-около 1000 градусов по Цельсию. Выход ячеек – до 100 кВт. При таких высоких температурах риформер не требуется для извлечения водорода из топлива, а отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Однако высокая температура ограничивает применение блоков, и они, как правило, довольно велики. В то время как твердые электролиты не могут протекать, они могут треснуть.
На основе расплавленного карбонатного электролита
Расплавленные карбонатные топливные элементы (MCFC) используют в качестве электролита высокотемпературные соединения карбонатов солей (таких как натрий или магний). КПД колеблется от 60 до 80 процентов, а рабочая температура составляет около 650 градусов по Цельсию. Построены энергоблоки мощностью до 2 мегаватт (МВт), имеются проекты энергоблоков мощностью до 100 МВт. Высокая температура ограничивает повреждение от “отравления” угарным газом и отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Их никелевые электроды-катализаторы стоят недорого по сравнению с платиной, используемой в других ячейках. Но высокая температура также ограничивает материалы и безопасное использование —они, вероятно, будут слишком горячими для домашнего использования.

Прямой метанольный

Прямой метанольный топливный элемент, как ожидается, получит место на рынке, потому что они имеют более высокий срок службы по сравнению с литий-ионным аккумулятором и могут быть заряжены простым изменением картриджа с топливом. Однако, применяется ядовитый метиловый спирт.
Эти типы топливных элементов разрабатываются компаниями Samsung (Корея), Toshiba, Hitachi, NEC и Sanyo (Япония). Анодный катализатор извлекает энергию из жидкого метанола, устраняя необходимость в топливном риформере. Они показывают эффективность около 40% и работают при температурах около 130 °C.

Преимущества:
1. Он использует жидкое топливо. Размер месторождений меньше и может воспользоваться преимуществами существующей инфраструктуры обеспечения.
2. Он не нуждается ни в каком процессе реформирования.
3. Его электролит представляет собой протонную обменную мембрану,

Недостатки:

1. Недостатками прямого метанольного топливного элемента являются необходимость концентрированного токсичного метанола для достижения полезной плотности энергии и проблема перекрестного переноса метанола.
2. Имеет низкую эффективность по отношению к водородным элементам.
3. Нуждается в большом количестве катализатора для электроокисления метанола на аноде.

Тип топливного элемента Температура   (град. C) Выходная мощность ( Kвт) Применение
Щелочной топливный элемент 150-200              5-300 Космические и военные установки
Протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC) 50-100            0,05-250 Перспективная бытовая техника, портативные ноутбуки, сотовые телефоны, видеокамеры, автобусы, автомобили, железнодорожные локомотивы
Фосфорнокислотные элементы (PAFC) 160-210             5-200 Железные дороги
На основе расплавленного карбонатного электролита (MCFC) 650            100-2000 Электросети
Твердооксидный (SOFC) 800-1000              2,5-250 Коммерческая энергетика, мобильные приложения для железных дорог
Прямой метанольный топливный элемент (DMFC) 50-120 0.1- 1 Для портативных устройств

Существует также микробный топливный элемент (MFC)  – это особый вид  в котором  используются микроорганизмы для преобразования химической энергии в электричество.

Микротопливные виды элементов

Система микротопливных ячеек (мощность < 1 Вт). Этот класс топливных элементов разработан как самый маленький в мире вид (металлгидридный блок размером 3 мм на 3 мм на 1 мм, нуждающийся в ограниченном внешнем топливе).
Установка способна генерировать 0,1-1 мА в течение 30 часов до тех пор, пока гидрид металла не будет исчерпан, и она использует поверхностное натяжение, а не насосы. Хотя в основном они все еще находятся на стадии разработки, эти устройства могут быть использованы для питания медицинских устройств, которые требуют только короткого времени работы.

Разработан микротопливный элемент, который использует дрожжи, питающиеся сахаром в крови человека, для выработки электроэнергии. Этот микробный топливный элемент производит около 40 нановатт энергии, и при использовании с конденсаторами, может быть достаточным для питания внутрипочечных электродов для лечения паралича или устройств, таких как кардиостимуляторы.
Топливный элемент является фактически живым источником энергии, способным самовосстанавливаться и устранять необходимость в регулярных операциях по замене батарей.

Еще одно новое приложение, которое в настоящее время находится в стадии разработки и, возможно, более коммерчески готово,-это печатный микротопливный элемент с ферментативным катализом. Активированный водой микробный топливный элемент размещается на упаковочной бумаге, которая содержит встроенные датчики для контроля, например, состояния пищевых продуктов в “интеллектуальной упаковке”.
Эта технология имеет и другие применения; например, в биомедицинском мониторинге, когда она интегрирована в липкий пластырь, и имеет преимущество быть одновременно дешевой и способной к массовому производству.

Достоинства топливных элементов

  • Электростанции на топливных элементах экологичны, бесшумны, не имеют вращающихся компонентов.
  • Это децентрализованный завод, может работать изолированно для военных объектов и больниц, где шум и дым запрещены. Кроме того, никакая энергия не тратится впустую на передачу и распределение.
  • Топливные источники энергии достигают высокого КПД до 55% , тогда как обычные тепловые станции работают с КПД 30%.
  • Большая степень модульности, с мощностью от 5 кВт до 2 МВт.
  • Существует широкий выбор топливных элементов. Они могут работать на природном газе, этаноле, метаноле, сжиженном газе и биогазе, поставляемых из местной биомассы
  • В дополнение к электроэнергии , топливные элементы также поставляют горячую воду, тепло и пар.
  • Топливные элементы обладают когенерационными возможностями. Когенерация – совместное производство электрической и тепловой энергии.
  • Топливные элементы могут работать на газах из пивоваренных заводов (завод, где производится пиво), а также на газе из осадке сточных вод, доказав, что это самая чистая и наиболее экономичная технология преобразования вида энергии.
  • Потребительская электроника может значительно увеличить заряд батареи с помощью технологии топливных элементов.
  • Сотовые телефоны могут работать в течение 30 дней без подзарядки.
  • Ноутбуки могут работать в течение 20 часов без подзарядки.
  • Более 2500 систем топливных элементов были установлены по всему миру в больницах, домах престарелых, гостиницах, офисных зданиях, школах и коммунальных электростанциях.
    Большинство из этих систем либо подключены к электрической сети для обеспечения дополнительной мощности и резервного обеспечения, либо являются независимыми от сети генераторами в местах, недоступных для линий электропередач.
  • Применение сложных коммуникационных сетей требует невероятно надежного источника питания. Было доказано, что топливные элементы надежны на 99 %.