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, которое преобразует химическую энергию в полезный электрический ток . Каждый топливный элемент имеет два электрода, известные как анод и катод. Именно на электродах 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, топливные элементы также требуют кислорода. Одним из наиболее привлекательных аспектов топливных элементов является то, что они производят очень мало загрязнений: большая часть водорода и кислорода, необходимых для выработки энергии, в конечном итоге смешивается, образуя безвредный побочный продукт, в основном 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 получал электричество и воду, соединяя водород и кислород в присутствии электролита. Это изобретение, позже известное как топливный элемент, не вырабатывало достаточно электроэнергии, чтобы быть полезным. Поэтому давайте рассмотрим некоторые преимущества и недостатки топливных элементов.
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 рассмотрим различные типы топливных элементов. Основное различие между топливными элементами заключается в типе 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
Топливные элементы с полимерной электролитной мембраной (PEM), также известные как протонно-обменные топливные элементы, обладают высокой удельной мощностью, малым весом и объемом по сравнению с обычными топливными элементами. Электролитом топливных элементов PEM является твердый полимер , а электродами – пористый углерод с катализатором из платины или сплава платины. Для их работы достаточно водорода, кислорода из воздуха и воды. Обычно они работают на чистом водороде, поставляемом из резервуаров для хранения или риформеров.
Топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEM) работают при низких температурах , обычно около 80°C (176°F). Работа при низких температурах позволяет им быстро запускаться (с сокращенным временем прогрева) и приводит к меньшему износу компонентов системы, что обеспечивает большую долговечность. Однако это требует использования катализатора из благородного металла (обычно платины) для разделения электронов и протонов водорода, что увеличивает стоимость системы. Поскольку платиновый катализатор особенно чувствителен к отравлению монооксидом углерода, для удаления монооксида углерода из топливного газа, если водород производится из углеводородного топлива, требуется дополнительный реактор. Этот реактор также дорог.
Топливные элементы с протонно-обменной мембраной (PEM) в основном используются в транспорте и некоторых стационарных системах. Топливные элементы PEM особенно хорошо подходят для использования в автомобильной промышленности, например, в легковых автомобилях, автобусах и большегрузных автомобилях.
2. Элементы для прямого получения метанолового топлива
Большинство топливных элементов работают на водороде, который может подаваться непосредственно в систему или создаваться внутри системы путем риформинга богатых водородом топлив, таких как метанол, этанол и углеводородное топливо. Однако топливные элементы прямого действия на метаноле (DMFC) работают на чистом метаноле , который обычно смешивается с водой и подается непосредственно к аноду топливного элемента.
Поскольку метанол обладает более высокой плотностью энергии , чем водород, хотя и меньшей, чем бензин или дизельное топливо, топливные элементы прямого действия на метаноле позволяют избежать многих проблем с хранением топлива, которые характерны для некоторых систем топливных элементов. Так как метанол является жидкостью, подобно бензину, его также проще транспортировать и доставлять населению, используя существующую инфраструктуру. Топливные элементы прямого действия на метаноле часто используются для питания портативных устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки.
3. Элементы для щелочного топлива
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) были одними из первых изобретенных технологий топливных элементов и первым типом, широко использовавшимся в космической программе США для выработки электроэнергии и воды на борту космических аппаратов. Электролитом в этих топливных элементах является раствор гидроксида калия в воде , а анодом и катодом может служить ряд недрагоценных металлов.
Одной из существенных проблем этого типа топливных элементов является их склонность к отравлению углекислым газом (CO2). Фактически, даже следовые количества CO2 в воздухе могут существенно повлиять на производительность и долговечность элемента из-за образования карбонатов. Щелочные элементы с жидкими электролитами могут работать в режиме рециркуляции, что позволяет регенерировать электролит и уменьшить воздействие образования карбонатов, но также создает проблемы с током и шунтированием.
К дополнительным проблемам, связанным с системами на основе жидкого электролита, относятся смачиваемость, повышенная коррозия и трудности с контролем перепада давления. Эти трудности решаются в щелочных мембранных топливных элементах (ЩМТЭ), которые менее подвержены отравлению CO2, чем жидкоэлектролитные АФТЭ. Однако CO2 по-прежнему оказывает влияние на производительность, и производительность и долговечность ЩМТЭ уступают показателям ПЭМТЭ.
Микроэлектрохимические топливные элементы (МЭТЭ) изучаются для применения в диапазоне мощностей от Вт до кВт. Устойчивость к углекислому газу, проводимость и долговечность мембраны, работа при высоких температурах, управление водным балансом, удельная мощность и электрокатализ анода — все это представляет собой серьезные проблемы для МЭТЭ.
4. Клетки фосфорной кислоты
В топливных элементах на основе пористого углерода в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота (кислота удерживается в матрице из карбида кремния, связанного тефлоном), а также пористые углеродные электроды с платиновым катализатором. На диаграмме справа показаны электрохимические реакции, происходящие в ячейке.
Топливные элементы на основе полиакриловой кислоты (ПАФК) считаются современными топливными элементами «первого поколения». Это один из наиболее развитых типов элементов и первый, вышедший на коммерциализацию. Хотя этот тип топливных элементов обычно используется для выработки стационарной энергии, некоторые ПАФК применялись для питания крупных транспортных средств, таких как городские автобусы.
Топливные элементы на основе полиакриловой кислоты (ПАФК) более устойчивы к примесям в риформированном ископаемом топливе, чем элементы с протонно-обменной мембраной (ПЭМ), которые легко «отравляются» монооксидом углерода, поскольку монооксид углерода связывается с платиновым катализатором на аноде, снижая эффективность топливного элемента. Эффективность ПАФК превышает 85% при использовании для выработки как электроэнергии, так и тепла, но снижается при использовании только для выработки электроэнергии (37–42%).
Эффективность полиалюминиевых топливных элементов (ПАТЭ) лишь немного выше, чем у электростанций , работающих на сжигании топлива, эффективность которых обычно составляет около 33%. При одинаковом весе и объеме ПАТЭ также менее мощные, чем другие типы топливных элементов. Таким образом, эти топливные элементы, как правило, большие и тяжелые. Кроме того, ПАТЭ являются дорогостоящими. Для их работы требуется значительно большее количество платинового катализатора, чем для других типов топливных элементов, что повышает их стоимость.
5. Топливные элементы для расплавленного карбоната
Топливные элементы на расплавленных карбонатах (MCFC) разрабатываются для электростанций, работающих на природном газе и угле, а также для электроэнергетических, промышленных и военных целей. MCFC — это высокотемпературные топливные элементы, использующие электролит, состоящий из расплавленных карбонатных солей, плавающих в пористой, химически инертной керамической матрице из оксида лития-алюминия. В качестве катализаторов на аноде и катоде могут использоваться недрагоценные металлы, поскольку они работают при высоких температурах 650°C (приблизительно 1,200°F).
Еще одна причина, по которой топливные элементы на расплавленных карбонатах обеспечивают значительную экономию средств по сравнению с фосфорнокислотными топливными элементами, — это повышение эффективности . В сочетании с турбиной топливные элементы на расплавленных карбонатах могут достигать КПД, приближающегося к 65%, что значительно выше, чем КПД 37–42% при работе фосфорнокислотных топливных элементов. Общая эффективность использования топлива может превышать 85% при рекуперации и использовании отработанного тепла.
Топливные элементы на основе метанола (MCFC) не требуют внешнего риформера 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 позволяет экономить средства.
Основной недостаток существующих технологий MCFC заключается в их коротком сроке службы . Высокие рабочие температуры этих элементов, наряду с используемым едким электролитом, ускоряют разрушение и коррозию компонентов, сокращая срок службы элементов. В настоящее время ученые исследуют коррозионностойкие материалы для компонентов, а также конструкции топливных элементов, которые позволят удвоить срок службы элементов с нынешних 40 000 часов (пять лет) без ущерба для производительности.
6. Ячейки для твердооксидного топлива
В твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) электролитом является плотная, непористая керамика . ТОТЭ преобразуют топливо в электричество с эффективностью около 60%. Общая эффективность использования топлива может превышать 85% в системах, предназначенных для улавливания и использования отработанного тепла (когенерация).
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) работают при чрезвычайно высоких температурах , до 1,000 °C (1,830 °F). Работа при высоких температурах исключает необходимость использования катализатора из драгоценных металлов, что снижает затраты. Это также позволяет ТОТЭ осуществлять риформинг топлива внутри системы, что дает возможность использовать более широкий спектр видов топлива и снижает затраты на добавление риформера 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 персонала, что подходит для коммунальных предприятий, но неприемлемо для транспорта. Из-за высоких рабочих температур материалы должны соответствовать строгим стандартам долговечности. Основная техническая сложность этой технологии заключается в разработке недорогих материалов с высокой износостойкостью при рабочих температурах элементов.
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 традиционные, вырабатывают электричество из водорода и кислорода, одновременно производя тепло и воду в качестве побочных продуктов. Системы обратимых топливных элементов, с другой стороны, могут использовать электричество от солнечной, ветровой или других источников для расщепления воды на кислород и водородное топливо посредством процесса, известного как электролиз.
Обратимые топливные элементы могут вырабатывать электроэнергию тогда, когда это необходимо, но в периоды высокой выработки электроэнергии другими технологиями (например, когда сильный ветер приводит к избытку доступной ветровой энергии) обратимые топливные элементы могут накапливать избыточную энергию в виде водорода. Эта возможность хранения энергии может кардинально изменить технологии возобновляемой энергии с переменной выработкой. После этого давайте узнаем о принципе работы топливных элементов.
См. также: Топ-3 акций компаний, занимающихся «зеленой» энергетикой в Индии
Каков принцип работы топливного элемента?
После ознакомления с преимуществами топливных элементов следует также изучить принцип их работы. Топливный элемент состоит из двух электродов: анода и катода, разделенных электролитной мембраной. В топливном элементе для выработки электроэнергии могут использоваться водород, метан, этан, этанол и другие органические виды топлива. Эти виды топлива подвергаются неполному сгоранию и выделяют тепло в качестве побочного продукта. Большинство этих реакций носят окислительно-восстановительный характер и приводят к образованию воды и углекислого газа 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.
Читайте также: Топ-30+ компаний в сфере возобновляемой энергетики в Индии
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 распределительных организаций переходят на использование водородных топливных элементов для питания экологически чистых грузовиков, вилочных погрузчиков, гидравлических тележек и другого оборудования.
2. Международная дистрибуция: Топливные элементы обладают запасом хода и мощностью, необходимыми для междугородних перевозок и местной дистрибуции. Компании Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth и UPS уже производят грузовики и фургоны на водородном топливе.
3. Автобусы: Водородная энергия изучается для использования в различных видах общественного транспорта, включая автобусы на водородных топливных элементах. Несколько крупных городов уже провели эксперименты с автобусами, работающими на водороде, в том числе Чикаго, Ванкувер, Лондон и Пекин.
4. Поезда: Поезда на водородных топливных элементах уже появились в Германии, и ожидается, что в течение следующих пяти лет новые типы поездов появятся в Великобритании, Франции, Италии, Японии, Южной Корее и США.
5. Автомобили для личного пользования: Девять крупнейших автопроизводителей работают над созданием электромобилей на водородных топливных элементах (HFCEV) для личного пользования. Среди наиболее известных моделей — Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo и BMW I Hydrogen Next.
6. Самолеты: В нескольких экспериментальных проектах, включая прототипы Pathfinder и Helios, исследовалось использование водородных топливных элементов в аэрокосмической отрасли. Эти беспилотные летательные аппараты дальнего действия использовали гибридную систему с водородными топливными элементами, питаемыми от солнечных батарей, что теоретически позволяло осуществлять непрерывные полеты днем и ночью без ограничений.
7. Генерация резервного питания: Стационарные топливные элементы используются в системах бесперебойного питания (ИБП), где важна непрерывная работа. Больницы и центры обработки данных все чаще используют водород для бесперебойного питания. Компания Microsoft недавно привлекла внимание общественности успешным испытанием своих новых водородных резервных генераторов, которые позволили серверу одного центра обработки данных работать исключительно на водороде в течение двух дней.
8. Производство мобильной энергии: Водород предоставляет множество вариантов для производства мобильной энергии. NASA, в частности, разработало одни 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), от доставки посылок до поисково-спасательных операций, серьезно ограничены мощностью и дальностью действия стандартных батарей. Как военные, так и частные компании намерены решить эти проблемы с помощью водородных топливных элементов, дальность действия которых в три раза превышает дальность действия устройств, работающих от батарей. Топливные элементы обеспечивают более высокое соотношение энергии к массе и могут быть перезаряжены за считанные минуты.
10. Суда и подводные лодки: Водородные топливные элементы используются в самых разных областях морского применения. Некоторые суда, такие как Energy Observer, даже производят собственный водород для топливной системы, используя бортовые солнечные панели и ветряные турбины. Водородные топливные элементы представляют собой альтернативу ядерной энергии для военных малозаметных подводных лодок, таких как немецкая Type 212, обеспечивая большую дальность хода, бесшумное движение и низкое тепловыделение.
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.
Рекомендуется: Преимущества и недостатки приливной энергии
