Все о преимуществах топливных элементов

Сегодня мир мчится к будущему устойчивой энергетики. Хотя окончательный победитель неизвестен, водород стал явным фаворитом, предоставляя многочисленные возможности для производства, распределения и применения энергии. Чтобы раскрыть тайну названия преимуществ топливных элементов, давайте начнем с того, что такое топливные элементы и их типы, а затем узнаем все об их преимуществах и недостатках.

Топливные элементы существуют уже более 150 лет и являются бесконечным, экологически безопасным и постоянно доступным источником энергии. Так почему же они до сих пор не используются повсеместно? До недавнего времени причиной была стоимость. Производство элементов было непозволительно дорогим. Теперь это уже не так.

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент - это электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию в пригодный для использования электрический ток. Каждый топливный элемент имеет два электрода, известные как анод и катод. Электроды — это место, где происходят реакции, генерирующие электричество.

В каждом топливном элементе также есть электролит, который переносит электрически заряженные частицы от одного электрода к другому, а также катализатор, который ускоряет реакции на электродах. Хотя водород является самым основным топливом, топливным элементам также требуется кислород. Одним из наиболее привлекательных аспектов топливных элементов является то, что они производят очень мало загрязнение Большая часть водорода и кислорода, необходимых для выработки электроэнергии, в конечном итоге смешиваются, образуя безвредный побочный продукт, в первую очередь воду.

Один топливный элемент производит ничтожно малое количество постоянного тока (DC). На практике несколько топливных элементов часто объединяются вместе. Концепции одинаковы как в ячейке, так и в стопке. После этого давайте рассмотрим преимущества и недостатки топливных элементов.

4 преимущества и недостатки топливных элементов

Сэр Уильям Роберт Гроув, валлийский судья, изобретатель и ученый, изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Он создал электричество и воду, соединяя водород и кислород в присутствии электролита. Инновация, позже известная как топливный элемент, не вырабатывала достаточно электроэнергии, чтобы быть полезной. Итак, давайте рассмотрим некоторые топливные элементы преимущества и недостатки.

Преимущества

1. Не требует подзарядки.

Топливный элемент не нуждается в перезарядке. Топливный элемент может воспроизводить энергию до тех пор, пока он не будет снабжен топливом.

2. Никаких проблем со здоровьем

Топливные элементы не опасны и не вызывают проблем со здоровьем, поскольку во время работы они не производят дыма и смога.

3. эффективное

Топливные элементы чрезвычайно эффективны, поскольку они могут преобразовывать химическую энергию прямо в электрическую. По сравнению с другими доступными на рынке альтернативами топливные элементы на 60% эффективнее.

4. Без загрязнения

Топливные элементы не оказывают отрицательного влияния на загрязнение воздуха. Это одно из самых заметных преимуществ среди других преимуществ топливных элементов. Поскольку топливный элемент не имеет механических частей, он абсолютно бесшумен, а значит, не создает никакого шумового загрязнения.

Если в качестве исходного топлива используется водород, единственными побочными продуктами являются вода, тепло и электричество, что обеспечивает максимальную эффективность и отсутствие выбросов вредных веществ.

Недостатки

1. Дорого и недолговечно

Как и преимущества топливных элементов, у них есть и недостатки. Например, они довольно дороги по своей природе. Топливные элементы имеют более короткий срок службы.

2. Трудно хранить

Топливные элементы трудно хранить, поскольку топливо, используемое в элементах, должно храниться при определенной температуре и давлении.

3. Небезопасно и опасно

Водород — очень огнеопасное топливо, что вызывает очевидные проблемы безопасности. В воздухе водородный газ горит в концентрациях от 4 до 75%.

4. Трудно извлечь

Несмотря на то, что водород является самым распространенным элементом во Вселенной, он не существует сам по себе, поэтому его необходимо извлекать из воды путем электролиза или изолировать из ископаемого топлива на основе углерода. Оба эти подхода требуют значительного количества энергии для завершения.

Эта энергия может быть дороже, чем та, что получена из самого водорода. Кроме того, при отсутствии CCS, эта добыча часто требует использования ископаемого топлива, что подрывает экологические характеристики водорода.

Какие существуют типы топливных элементов?

После изучения преимуществ и недостатков топливных элементов, давайте также узнаем о различных типах топливных элементов. Основное различие между топливными элементами заключается в тип используемого электролита. Эта классификация определяет тип:

Электрохимические процессы, происходящие в клетке
Тип необходимых катализаторов
Диапазон температур, в котором функционирует ячейка
Необходимое топливо и другие критерии.

Эти свойства, в свою очередь, влияют на области применения, для которых эти элементы наиболее подходят. В настоящее время разрабатывается несколько разновидностей топливных элементов, каждый из которых имеет свой собственный набор преимуществ, ограничений и возможных областей применения. Узнайте больше о типах топливных элементов ниже.

1. Полимерные топливные элементы с электролитной мембраной

Полимерная электролитная мембрана (PEM) топливные элементы, также известные как топливные элементы с протонообменной мембраной, имеют высокая плотность мощности и малый вес и объем по сравнению с обычными топливными элементами. Электролит топливных элементов PEM твердый полимер, а электроды — пористый углерод с катализатором из платины или платинового сплава. Для работы им просто нужен водород, кислород из воздуха и вода. Обычно они работают на чистом водороде, поставляемом из резервуаров для хранения или риформеров.

топливные элементы PEM функционировать в низкие температуры, обычно около 80°C (176°F). Низкотемпературная эксплуатация позволяет им быстро запускаться (с сокращенным временем прогрева) и приводит к меньшему износу компонентов системы, что приводит к большей долговечности. Однако это требует использования катализатора из благородного металла (обычно платины) для разделения электронов и протонов водорода, что повышает стоимость системы. Поскольку платиновый катализатор особенно чувствителен к отравлению оксидом углерода, требуется дополнительный реактор для удаления оксида углерода из топливного газа, если водород производится из углеводородного топлива. Этот реактор также дорог.

Топливные элементы PEM в основном занятых в транспорт и некоторые стационарные приложения. Топливные элементы PEM особенно хорошо подходят для использования в автомобильных приложениях, таких как автомобили, автобусы и тяжелые грузовики.

2. Элементы для прямого получения метанолового топлива

Большинство топливных элементов работают на водороде, который может быть доставлен непосредственно в систему или создан внутри системы путем реформирования богатых водородом топлив, таких как метанол, этанол и углеводородное топливо. Однако прямые метаноловые топливные элементы (DMFC) работающий на чистом метаноле, который обычно смешивается с водой и подается непосредственно на анод топливного элемента.

Поскольку метанол имеет более высокая плотность энергии чем водород, хотя и меньше, чем бензин или дизельное топливо. Топливные элементы на основе прямого метанола позволяют избежать многих проблем с хранением топлива, которые мешают некоторым системам топливных элементов. Поскольку метанол является жидкостью, как и бензин, его также легче транспортировать и доставлять населению с использованием нашей текущей инфраструктуры. DMFC часто используются для питания портативных топливных элементов, таких как мобильные телефоны и ноутбуки.

3. Элементы для щелочного топлива

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) были среди первых изобретенных технологий топливных элементов, и они были первым типом, широко применявшимся в космической программе США для выработки электроэнергии и воды на борту космических аппаратов. Электролит в этих топливных элементах представляет собой раствор гидроксида калия в воде, а анод и катод могут быть выполнены из ряда недрагоценных металлов.

Одной из существенных проблем для этого типа топливных элементов является то, что он склонных к отравление углекислым газом (CO2). Фактически, даже следовые количества CO2 в воздухе могут оказать значительное влияние на производительность и долговечность ячейки из-за образования карбоната. Щелочные ячейки с жидкими электролитами могут работать в режиме рециркуляции, что позволяет проводить регенерацию электролита, чтобы помочь уменьшить воздействие образования карбоната в электролите, но также вносит и шунтирует трудности с током.

Дополнительные проблемы с системами с жидким электролитом включают смачиваемость, повышенную коррозию и трудности с контролем перепада давления. Эти трудности решаются с помощью щелочных мембранных топливных элементов (AMFC), которые менее восприимчивы к отравлению CO2, чем AFC с жидким электролитом. Однако CO2 продолжает оказывать влияние на производительность, а производительность и долговечность AMFC отстают от PEMFC.

AMFC изучаются для приложения от Вт до кВт. Устойчивость к углекислому газу, проводимость и долговечность мембраны, эксплуатация при более высоких температурах, управление водными ресурсами, плотность мощности и анодный электрокатализ — все это проблемы для AMFC.

4. Клетки фосфорной кислоты

PAFC-ы использовать жидкую фосфорную кислоту в качестве электролита (кислота удерживается в матрице карбида кремния, связанной с тефлоном) и пористые углеродные электроды с платиновым катализатором. На схеме справа изображены электрохимические реакции, происходящие в ячейке.

ПАФК - это рассматривается как современный топливный элемент «первого поколения». Это один из наиболее развитых типов элементов и первый, который был коммерциализирован. Хотя этот тип топливных элементов обычно используется для генерации стационарной энергии, некоторые PAFC использовались для питания больших транспортных средств, таких как городские автобусы.

PAFC являются более стойкий к примесям в реформированном ископаемом топливе, чем элементы PEM, которые легко «отравляются» оксидом углерода, поскольку оксид углерода связывается с платиновым катализатором на аноде, снижая эффективность топливного элемента. PAFC более чем на 85% эффективны при использовании для генерации как электроэнергии, так и тепла, но они менее эффективны при использовании только для генерации электроэнергии (37%-42%).

эффективность PAFC лишь немного выше, чем у электростанций на основе сжигания, которые обычно работают с эффективностью около 33%. При том же весе и объеме PAFC также менее мощные, чем другие топливные элементы. Таким образом, эти топливные элементы обычно большие и тяжелые. PAC также дороги. Они требуют значительно больших загрузок платинового катализатора, чем другие формы топливных элементов, что повышает стоимость.

5. Топливные элементы для расплавленного карбоната

Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC) разрабатываются для электростанций, работающих на природном газе и угле, а также для электроэнергетических, промышленных и военных целей. MCFC — это высокотемпературные топливные элементы, которые использовать электролит, состоящий из расплавленных карбонатных солей плавающий в пористой, химически инертной керамической матрице оксида лития и алюминия. Недрагоценные металлы могут использоваться в качестве катализаторов на аноде и катоде, поскольку они работают при высоких температурах 650°C (приблизительно 1,200°F).

Еще одна причина, по которой топливные элементы MCFC обеспечивают значительную экономию средств по сравнению с топливными элементами на основе фосфорной кислоты, заключается в следующем: повышенная эффективность. В сочетании с турбиной топливные элементы на основе расплавленного карбоната могут достигать эффективности, приближающейся к 65%, что значительно превышает эффективность работы топливных элементов на основе фосфорной кислоты в 37%-42%. Общая топливная эффективность может превышать 85%, когда отходящее тепло рекуперируется и используется.

MCFC-ы не требуют внешнего реформатора для преобразования природного газа и биогаза в водород. Поскольку MCFC работают при высоких температурах, метан и другие легкие углеводороды в этих видах топлива преобразуются в водород внутри самого топливного элемента посредством процесса, известного как внутренний риформинг, что также экономит деньги.

Основным недостатком существующей технологии MCFC является ее короткая продолжительность жизни. Высокие рабочие температуры этих ячеек, а также используемый едкий электролит ускоряют разрушение компонентов и коррозию, сокращая срок службы ячеек. Ученые в настоящее время изучают коррозионно-стойкие материалы для компонентов, а также конструкции топливных ячеек, которые могут удвоить срок службы ячеек с нынешних 40,000 XNUMX часов (пять лет) без ущерба для производительности.

6. Ячейки для твердооксидного топлива

В твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) электролит представляет собой плотную, непористую керамику. SOFC преобразуют топливо в электричество с эффективностью около 60%. Общая эффективность использования топлива может превышать 85% в системах, предназначенных для улавливания и использования отходящего тепла системы (когенерация).

ТОТЭ функционировать при экстремально высоких температурах, до 1,000°C (1,830°F). Высокотемпературная работа устраняет необходимость в катализаторе из драгоценных металлов, снижая затраты. Это также позволяет SOFC проводить внутреннюю реформу топлива, что позволяет использовать более широкий спектр видов топлива и снижает расходы на добавление реформера в систему.

SOFC также являются наиболее устойчивыми к сере топливными элементами, способными выдерживать на порядки больше серы, чем другие типы элементов. Кроме того, они не подвержены воздействию оксида углерода, который даже может использоваться в качестве топлива. Эта характеристика позволяет SOFC использовать природный газ, биогаз и газы, полученные из угля. Существуют недостатки работы при высоких температурах.

Это приводит к задержке запуска и требует обширной тепловой защиты для сохранения тепла и защиты сотрудников, что хорошо для коммунальных целей, но не для транспортировки. Из-за высокие рабочие температуры, материалы должны соответствовать строгим стандартам долговечности. Основной технической сложностью этой технологии является разработка недорогих материалов с высокой выносливостью при рабочих температурах ячейки.

Ученые сейчас изучают возможность создания низкотемпературных SOFC, которые работают при температуре 700°C или ниже, имеют меньше проблем с долговечностью и менее дороги. Низкотемпературные SOFC пока не достигли производительности высокотемпературных систем, а материалы для стеков для этого низкотемпературного диапазона все еще разрабатываются.

7. Обратимые топливные элементы

Обратимые топливные элементы, как и обычные топливные элементы, создают электричество из водорода и кислорода, а также производят тепло и воду в качестве побочных продуктов. Системы обратимых топливных элементов, с другой стороны, может использовать электричество из солнечные, ветровые или другие источники для расщепления воды на кислород и водородное топливо с помощью процесса, известного как электролиз.

Обратимые топливные элементы могут производить электричество когда это необходимо, но в периоды высокой выходной мощности других технологий (например, когда сильные ветры приводят к избытку доступной ветровой энергии), обратимые топливные элементы могут хранить избыточную энергию в форме водорода. Эта способность хранения энергии имеет потенциал стать переломным моментом для прерывистой технологии возобновляемой энергии. После этого давайте узнаем о принципе работы топливных элементов.

Также см: Топ-3 акций зеленой энергетики в Индии

Каков принцип работы топливного элемента?

Узнав о преимуществах топливных элементов, вам также следует узнать о принципе работы топливных элементов. Топливный элемент — это состоит из два электрода, анод и катод, разделенные электролитной мембраной. Водород, метан, этан, этанол и другие органические виды топлива могут быть использованы в топливном элементе для выработки электроэнергии. Эти топливо сгорает неполностью и выделяет тепло как побочный продукт. Большинство этих реакций являются окислительно-восстановительными по своей природе и создают воду и углекислый газ в качестве побочных продуктов.

Перенос электронов в окислительно-восстановительных реакциях приводит к преобразованию химической энергии в электрическую. Между электродами находится электролитное вещество. Топливо подается к каждому электроду отдельно. Предположим, что в топливном элементе водород подается к аноду, а воздух — к катоду. В этом случае катализатор на анодной стороне элемента стремится разбить молекулы водорода на более мелкие частицы, такие как протоны и электроны.

Оба элемента пытаются двигаться к катоду разными путями. Электроны следуют по внешнему каналу к катоду, обеспечивая ток, тогда как протоны проходят через электролитную мембрану к катоду, где они реагируют с молекулами кислорода и электронами, образуя воду и тепло в качестве побочных продуктов.

Перечислите некоторые области применения топливных элементов

Давайте рассмотрим десять вариантов использования водородных топливных элементов, о некоторых из которых вы, возможно, не знаете!

1. Управление складом: Несколько крупных складских и дистрибьюторских организаций переходят на водородные топливные элементы для питания экологически чистых грузовиков, погрузчиков, тележек и другого оборудования.

2. Международное распространение: Топливные элементы имеют запас хода и мощность, необходимые для дальних перевозок и местной дистрибуции. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth и UPS уже производят водородные полуприцепы и фургоны.

3. Автобусы: Водородная энергия изучается для использования в различных видах общественного транспорта, включая автобусы на водородных топливных элементах. Несколько крупных городов экспериментировали с автобусами на водородных топливных элементах, включая Чикаго, Ванкувер, Лондон и Пекин.

4. Поезда: Поезда на водородных топливных элементах уже прибыли в Германию, и, как ожидается, в течение следующих пяти лет еще больше таких поездов прибудут в Великобританию, Францию, Италию, Японию, Южную Корею и США.

5. Отдельные транспортные средства: Девять крупных автопроизводителей работают над электромобилями на водородных топливных элементах (HFCEV) для личного пользования. Среди заметных моделей — Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo и BMW I Hydrogen Next.

6. Самолеты: Несколько экспериментальных проектов, включая прототипы Pathfinder и Helios, исследовали использование водородных топливных элементов в аэрокосмической отрасли. Эти беспилотные летательные аппараты большой дальности использовали гибридную систему с водородными топливными элементами, которые питались от солнечных батарей, что теоретически обеспечивало неограниченный непрерывный полет днем и ночью.

7. Генерация резервного питания: Стационарные топливные элементы используются в системах бесперебойного питания (ИБП), где важна непрерывная работа. Больницы и центры обработки данных все чаще обращаются к водороду для бесперебойного питания. Недавно Microsoft попала в новости об успешном испытании своих новых резервных водородных генераторов, что позволило серверу одного центра обработки данных работать только на водороде в течение двух дней.

8. Генерация мобильной энергии: Водород предоставляет многочисленные варианты для мобильной генерации энергии. НАСА, по сути, создало некоторые из первых водородных топливных элементов для питания ракет и космических челноков в космосе.

9. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА): Многие инновационные применения БПЛА (т. е. дронов), начиная от доставки посылок и заканчивая поисково-спасательными операциями, серьезно сдерживаются мощностью и дальностью действия стандартных батарей. Как военные, так и частные предприятия намерены решить эти проблемы с помощью водородных топливных элементов, которые имеют в три раза большую дальность действия, чем устройства на батарейном питании. Топливные элементы обеспечивают большее отношение энергии к массе и могут быть перезаряжены за считанные минуты.

10. Лодки и подводные лодки: Водородные топливные элементы используются в различных морских приложениях. Некоторые лодки, такие как Energy Observer, даже создают свой собственный водород для системы топливных элементов, используя бортовые солнечные панели и ветровые турбины. Водородные топливные элементы являются альтернативой атомная энергия для военных малозаметных подводных лодок, таких как немецкая модель Type 212, с большой дальностью плавания, бесшумным ходом и малым выделением тепла.

Топливные элементы являются многообещающей заменой сегодняшних автомобильных топлив. Хотя некоторые части технологии, такие как эффективное бортовое хранение, требуют большего развития, нет никаких причин, по которым топливные элементы не могут стать таким же удобным и привлекательным транспортным топливом, как дизельное топливо или бензин сегодня. Надеюсь, что с помощью этой статьи было легко понять преимущества и недостатки топливных элементов. Пожалуйста, поделитесь своими вопросами в разделе комментариев.