Топливный элемент – что это такое и как работает?

Топливный элемент – что это такое и как работает?

Топливный элемент (Fuel Cell) — преобразователь химической потенциальной энергии (энергии молекулярных связей) в энергию электричества. Устройство содержит рабочую ячейку, где топливом выступает газообразный водород (H2) и кислород (O2). Продуктами реакции, происходящей внутри ячейки, являются вода, электричество и тепло. Технологически топливные элементы следует рассматривать более совершенными системами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями сжигания угля и даже атомными электростанциями, работа которых сопровождается выбросом вредных побочных продуктов.

Особенности уникальной технологии

Поскольку кислород  в большом количестве присутствует в атмосфере, остаётся только добавить к топливному элементу водород. Это вещество достаточно легко получить процессом электролиза в одноимённом аппарате, именуемом — электролизёр.

Что такое электролизёр и как работает?

Электрохимическое устройство, где для разделения молекул на составляющие атомы используется электрический ток. Электролизёры широко используются под разделение воды на водород и кислород.

Методика электролиза является наиболее перспективным способом производства водорода очень высокой чистоты (99,999%) благодаря высокой эффективности и быстрому динамическому отклику по сравнению с некоторыми другими методами.

Водород, полученный электролизом, качественно чист и потому удачно подходит для применения в топливном элементе.

Какие разработаны конструкции электролизёров?

Подобно топливным элементам, электролизёры построены на основе двух электродов и размещённого между электродами ионопроводящего электролита. Такие аппараты различаются по типу используемого электролита.

Электролизёр типа ПОМ
Структурная схема электролизёра и внешний вид одного из промышленных вариантов: 1 – слой катализатора; 2 – диффузионный слой газа; 3 – биполярная пластина; 4 – протонообменная мембрана; 5 — уплотнение

Разработаны несколько различных типов электролизёров, уже используемых на практике либо находящихся на стадии внедрения. Двумя наиболее распространёнными типами электролизёров, производящих водород, являются:

  1. Щелочной электролизёр.
  2. Мембранный электролизёр.

Щелочной электролизёр

Этот вид устройства работает на жидком каустическом электролите (обычно 30% KOH). Щелочные электролизёры строятся на недорогих металлах (никель), выступающих в качестве катализатора и обладают достаточно надежной структурой.

Щелочные электролизеры производят водород чистотой 99,8%, функционируют при относительно низкой температуре и показывают высокий уровень производительности. Рабочее давление в установках может достигать 30 АТИ. При работе поддерживается низкая плотность тока.

Протонообменный мембранный (ПОМ) электролизер

Здесь основой выступает твёрдая полимерная мембрана. Устройство быстро набирает популярность по следующим причинам:

  • поскольку электролизёры ПОМ не имеют коррозионных электролитов, конструкции практически не подвержены утечке. Затраты на обслуживание существенно сокращаются;
  • дополнительное оборудование для удаления из водорода следов КОН не требуется.
  • работа при более высоких давлениях и высоких плотностях тока по сравнению с щелочными установками.

Устройство топливной ячейки

Четыре основных элемента топливной ячейки, оснащённой ПОМ:

  1. Анод.
  2. Катод.
  3. Электролит.
  4. Катализатор.

Анод, отрицательный электрод топливного элемента, имеет несколько рабочих точек. Анод проводит электроны, высвобождаемые из молекул водорода, подходящие для внешней электрической цепи. Тело анода имеет вытравленные каналы для равномерного распределения водородного газа в катализаторе.

Катод, положительный электрод топливного элемента, также имеет вытравленные каналы, благодаря которым распределяется кислород в катализаторе. Роль катода — проводка электронов от внешней электрической цепи в сторону катализатора.

В катализаторе электроны контактируют с ионами водорода и кислородом, а результатом контакта является образование воды.

Топливная ячейка
Структурная схема функционирования топливной ячейки: 1 – линия ввода водорода; 2 – линия ввода кислорода; 3 – линия вывода воды; 4 – движение электронов; 5 – выделение тепла

Электролит является протонообменной мембраной. Этот специально обработанный материал, напоминающий внешне обычную пластиковую панель, с той лишь разницей, что такая панель способна проводить положительно заряженные ионы.

Мембраной же электроны блокируются. Для топливного элемента с ПОМ,  мембрану необходимо обезвоживать, чтобы функциональность оставалась стабильной.

Катализатор представляет собой специальное устройство, усиливающее реакцию кислорода и водорода. Обычно катализатор изготавливается на основе платины, тонким слоем наносимой на углеродную бумагу или углеродное волокно.

Катализатор содержит пористую структуру, поэтому площадь поверхности платины максимально подвергается воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора, покрытая платиной, обращена к ПОМ.

Как работает ячейка топливного элемента?

Своеобразным «сердцем» ячейки топливного элемента является протонообменая мембрана (ПОМ). Этот компонент позволяет протонам проходить практически беспрепятственно, но электроны блокирует.

Таким образом, когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.

Соответственно, по пути электроны выполняют полезную работу:

  • зажигают электрическую лампу,
  • вращают вал электродвигателя,
  • заряжают аккумуляторную батарею и т.д.

Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.

Вариант топливного элемента
Полноценная система из нескольких топливных ячеек: 1 – газовый ресивер; 2 – радиатор охлаждения с вентилятором; 3 – компрессор; 4 – опорный фундамент; 5 – топливный элемент в сборе из нескольких ячеек; 6 – модуль промежуточного хранилища

Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.

Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:

  • управление топливом, водой и воздухом,
  • холодильное оборудование,
  • программное обеспечение для управления хладагентом.

Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.

По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.

Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.

Очевидные преимущества технологии

Преобразуя химическую потенциальную энергию непосредственно в электрическую энергию, топливные элементы исключают образование «тепловых узких мест» (2-й закон термодинамики).

Следовательно, по своей природе эта технология видится более эффективной по сравнению с привычными двигателями внутреннего сгорания.

Так, схема ДВС изначально преобразует химическую потенциальную энергию в тепло, и только затем получается механическая работа.



Прямые выбросы топливных элементов — это простая вода и некоторое количество тепла. Здесь отмечается существенное улучшение по сравнению с теми же двигателями внутреннего сгорания, выделяющими, кроме всего прочего, ещё и парниковые газы.

Топливные элементы характерны отсутствием движущихся частей. Подобные конструкции всегда отличались повышенной надёжностью по отношению к традиционным двигателям.

Водород производится экологически безопасным способом, в то время как добыча и переработка нефтепродуктов являются очень опасными с точки зрения технологического производства.

Существующий тип топливных элементов?

Подобно аккумуляторным батареям и прочим электрохимическим продуктам, топливные элементы, помимо двух рабочих электродов, содержат электролит.

Существующие на текущий момент времени топливные элементы в первую очередь отличаются типом используемого электролита.

Ниже перечисляются наиболее распространенные топливные элементы, которые можно встретить на коммерческом рынке:

  • ПОМ (протонообменная мембрана) — PEM;
  • ПОМТЭ (топливный элемент с полимерной мембраной) — PEMFC;
  • ТОТЭ (твёрдооксидный топливный элемент) — SOFC;
  • РКТЭ (топливный элемент на расплавленном карбонате) — MCFC;
  • ЩТЭ (щелочной топливный элемент) — AFC;
  • ФКТЭ (топливный элемент на фосфорной кислоте) — PAFC;
  • ПМТЭ (топливный элемент прямого метанола) – DMFC.

Где найдут применение топливные элементы?

Большая и малая мощность резервного копирования для центров обработки данных, больниц, телекоммуникационных башен, банков, предприятий, промышленных зданий;

Стационарная мощность, например, комбинированная тепловая и тепловая энергия для домов или предприятий (ТЭЦ) и систем бесперебойного питания (ИБП);

Переносимое производство энергии для военных, промышленных предприятий или развлечений, таких как камеры и оборудование для наблюдения, ноутбуки, принтеры, смартфоны;

Транспортные средства, автомобили, автобусы, самолеты, подводные и надводные лодки, мотоциклы и велосипеды, вилочные погрузчики и т.п.


При помощи информации: Hydrogenics


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *