Что такое топливный элемент
Развитие технологий привело к разработке новых форм хранения энергии. Устройства для хранения энергии, такие как перезаряжаемые батареи или аккумуляторы, продолжают доминировать на рынке, но популярность обретают и электрические топливные элементы. Прошло почти столетие с тех пор, как был представлен первый коммерческий водородно-кислородный топливный элемент. Недавние достижения в области энергоэффективности топливных элементов и плотности мощности в сочетании с усилиями по борьбе с изменением климата и стремлением к производству экологически чистой энергии сделали их более привлекательными, особенно те, которые используют водород.
Топливные элементы – это технология производства энергии, похожая на батареи, но с некоторыми принципиальными отличиями. Одно из ключевых различий между топливными элементами и батареями заключается в том, что топливным элементам для работы требуется непрерывный источник топлива. Напротив, перемещение уже присутствующих ионов между электродами производит энергию в батареях. Если подается непрерывный источник топлива – наиболее распространенными вариантами являются водород и кислород – топливный элемент может продолжать производить энергию. Способность топливных элементов обеспечивать непрерывную электроэнергию может быть выгодной в некоторых приложениях, например, в качестве резервного источника питания для центров обработки данных, чтобы отказаться от резервных дизельных генераторов, работающих на ископаемом топливе, и в качестве альтернативного источника электроэнергии (микросети) для сельских районов, которые не только выдадут нужную мощность, но и смогут значительно сэкономить на затратах на инфраструктуру.
Как работает топливный элемент
Как и стандартная батарея, топливные элементы имеют анод, катод и электролит (между электродами) и зависят от различных электрохимических реакций для производства энергии. Для топливных элементов электричество вырабатывается в результате реакций, протекающих на обоих электродах, и хотя существует множество различных типов топливных элементов, наиболее распространенный рабочий механизм включает движение протонов, т. е. положительно заряженных ионов водорода, между электродами. Оба электрода содержат катализатор, который помогает облегчить электрохимические реакции и расщепить исходное «топливо» на соответствующие ионизированные частицы. Катализатор варьируется от топливного элемента к топливному элементу, но он должен быть материалом, который может способствовать реакциям кислорода и водорода, поэтому обычно выбирают платину и никель.
Хотя водород является основным топливом для элемента, им также требуется кислород, и это два основных сырья, которые необходимо постоянно поставлять для работы большинства топливных элементов. Поскольку электролит разделяет два электрода, существуют две различные поверхности раздела электрод-электролит, и это области, где происходят электрохимические реакции.
Когда водород поступает через анод, электрохимические реакции на аноде удаляют их электроны, создавая положительно заряженные ионы водорода, то есть протоны. Затем высвобожденные электроны попадают во внешнюю цепь, генерируя ток, а ионы водорода проходят через электролит к катоду. Электролит действует как протонообменная мембрана (PEM), которая пропускает только положительно заряженные ионы, исключая любые удаленные электроны, так что они входят только во внешнюю цепь и не пытаются диффундировать к другому электроду, так как это остановит соответствующий химический процесс реакции от возникновения. Кислород также подается на катод, и когда катализатор расщепляет молекулярный кислород на отрицательно заряженные ионы кислорода, электрон, выбрасываемый во внешнюю цепь, рекомбинирует с положительно заряженными ионами водорода, а также с ионами кислорода на поверхности катода. В результате в качестве конечного продукта образуется вода, которая удаляется через выхлоп топливного элемента.
Разновидности топливных элементов
Базовый механизм топливных элементов известен как «водородный топливный элемент» и является наиболее распространенным типом существующих топливных элементов. Хотя это стандартный механизм топливных элементов, существуют вариации. Большинство топливных элементов работают по схожим принципам, и всем им в качестве топлива требуется водород и кислород, но некоторые требуют и других вдобавок. Основным отличием всех топливных элементов является тип электролита, используемого для транспортировки ионов водорода к катоду. Основными типами топливных элементов являются:
- Щелочные топливные элементы
- Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC)
- Фосфорнокислотные топливные элементы (PAFC)
- Твердооксидные топливные элементы (SOFC)
- топливные элементы PEM
Как и во всем, различные варианты имеют свое место, и некоторые из них подходят только в определенных ситуациях. Щелочь в щелочных топливных элементах возникает из-за используемого электролита, который представляет собой гидроксид калия (щелочное вещество) и является единственным отличием от других типов топливных элементов, кроме топливных элементов, работающих при низких температурах. MCFC, с другой стороны, работают при более высоких температурах и имеют вход для углекислого газа, а также для кислорода и водорода, потому что ионы карбоната в электролите израсходованы и должны быть восполнены путем подачи углекислого газа). MCFC используют карбонаты солей в качестве электролита. Поскольку они работают при более высоких температурах, они подходят не для всех применений, особенно для домашнего использования, так как высокие температуры могут вызвать утечки.
В PAFC, еще одном низкотемпературном топливном элементе, в качестве электролита используется фосфорная кислота. Тем не менее, PAFC представляют собой интересный вариант, поскольку внутренние работы могут допускать образование угарного газа, а это означает, что бензин можно использовать в качестве топлива, хотя это и не экологичный вариант. В отличие от других, в топливных элементах SOFC и PEM используется нежидкий электролит, в SOFC используется керамическое соединение на основе оксида металла (например, диоксид циркония), а в топливных элементах PEM используется тонкий и проницаемый полимерный лист. ТОТЭ работают при очень высоких температурах, и их использование снова ограничено, поскольку вместо утечки электролит может треснуть. Топливные элементы PEM, с другой стороны, представляют собой топливные элементы с очень низкой температурой, но их эффективность ниже, и топливо необходимо очищать перед использованием. В дополнение к производству энергии посредством электрохимических реакций, произведенное тепло также может быть использовано для производства дополнительной электроэнергии, поэтому, хотя некоторые из высокотемпературных топливных элементов менее стабильны, может быть произведено больше энергии, если и топливо, и побочный тепловой продукт используются одновременно.
Хотя существует множество различных типов топливных элементов, все они работают по одному и тому же механизму. Всем топливным элементам для работы требуются водород и кислород, а электрохимические реакции на электродах расщепляют эти газы с образованием воды, а затем производят электричество в процессе. Таким образом, общая электрохимическая реакция для топливных элементов выглядит следующим образом: водород + кислород = электричество + водяной пар.
Топливные элементы представляют собой альтернативу батареям и считаются гораздо более экологичным вариантом, поскольку они производят только воду, которая не наносит вреда окружающей среде. Их часто сложнее реализовать, чем многие имеющиеся в продаже батареи, но помимо того, что они экологичны, одним из ключевых преимуществ топливных элементов является то, что они всегда будут производить электричество, пока они питаются как водородом, так и газообразным кислородом.
© digitrode.ru