Топливные элементы из полимерной электролитической мембраны (ПЭМ) представляют собой полуинтегрированные, эффективные и надежные системы, которые минимизируют использование периферийных устройств.
В 1839 году британский юрист и физик-любитель по имени Уильям Гроув впервые обнаружили принцип работы топливного элемента. В Grove использовались четыре большие ячейки, каждый из которых содержал водород и кислород, чтобы производить электричество и воду, которые затем использовались для разделения воды в другом контейнере для получения водорода и кислорода.
Однако потребовалось еще 120 лет, пока НАСА не продемонстрировало свое использование для обеспечения электричества и воды для некоторых ранних космических полетов. Сегодня топливный элемент является основным источником электроэнергии на космическом челноке. В результате этих успехов промышленность постепенно начала ценить коммерческую ценность топливных элементов. В дополнение к стационарным приложениям для производства электроэнергии в настоящее время существует сильный толчок для разработки топливных элементов для автомобильной промышленности.
Несмотря на то, что топливные элементы обеспечивают высокую производительность, надежность, долговечность и экологические преимущества, очень высокие инвестиционные затраты по-прежнему являются основным препятствием для крупномасштабных развертываний.
верхний
Основные принципы
Топливный элемент работает, перерабатывая водородное топливо - обычно природный газ или метанол - в водород, который в сочетании с кислородом вырабатывает электричество и воду. Это процесс обратного электролиза. Однако вместо сжигания топлива топливный элемент преобразует топливо в электричество с использованием высокоэффективного электрохимического процесса. Топливный элемент имеет мало подвижных частей и производит очень мало отработанного тепла или газа.
Электростанция топливного элемента состоит в основном из трех подсистем или секций. В секции обработки топлива природный газ или другое углеводородное топливо преобразуется в топливо, богатое водородом. Обычно это достигается посредством так называемого процесса каталитического реформинга с водяным паром. Затем топливо подается в силовую секцию, где она реагирует с кислородом воздуха в большом количестве отдельных топливных элементов для получения электричества постоянного тока (DC) и побочного тепла в виде используемого пара или горячей воды.
Для электростанции количество топливных элементов может варьироваться от нескольких сотен (для установки мощностью 40 кВт) до нескольких тысяч (для установки с несколькими мегаваттами). На заключительном или третьем этапе электроэнергия постоянного тока преобразуется в подсистему кондиционирования воздуха в электрический переменный ток (AC).
Топливный элемент - как это работает
В силовой части топливного элемента, который содержит электроды и электролит, происходят две отдельные электрохимические реакции: на аноде происходит полуреакция окисления и полуреакция восстановления на катоде. Анод и катод отделены друг от друга электролитом. В окислительной полуреакции на аноде газообразный водород образует ионы водорода, которые проходят через ионопроводящую мембрану к катоду. В то же время электроны проходят через внешнюю цепь к катоду.
В восстановительной полуреакции на катоде кислород, поступающий из воздуха, объединяется с ионами водорода и электронами для образования воды и избыточного тепла.
Таким образом, конечными продуктами общей реакции являются электричество, вода и избыточное тепло.
верхний
Типы топливных элементов
Электролит определяет ключевые свойства, особенно рабочую температуру топливного элемента. Следовательно, топливные элементы классифицируются в зависимости от типа используемого электролита, как описано ниже.
- Полимерная электролитная мембрана (PEM)
- Щелочная топливная ячейка (АЧХ)
- Топливная ячейка фосфорной кислоты (PAFC)
- Расплавленный карбонатный топливный элемент (MCFC)
- Твердый оксидный топливный элемент (ТОТЭ)
Эти топливные элементы работают при разных температурах, и каждый из них лучше всего подходит для конкретных применений. Основные характеристики пяти типов топливных элементов приведены в таблице 1 ниже.
ТАБЛИЦА 1 - Сравнение пяти технологий топливных элементов
| Тип | электролит | Температура C | Приложения | преимущества |
| Полимерная электролитная мембрана (PEM) | Твердая органическая полимерная полифторсульфоновая кислота | 60-100 | Электрическая утилита, транспорт, переносная мощность | Твердый электролит снижает коррозию, низкий уровень температуры, быстрый запуск |
| Щелочная (АФК) | Водный раствор гидроксида калия, пропитанный матрицей | 90-100 | Военные, космические | Катодная реакция быстрее в щелочном электролите; поэтому высокая производительность |
| Фосфорная кислота (PAFC) | Жидкая фосфорная кислота, пропитанная матрицей | 175-200 | Электрическая утилита, транспорт и тепло | До 85% эффективности когенерации электроэнергии |
| Расплавленный карбонат (MCFC) | Жидкий раствор карбонатов лития, натрия и / или калия, пропитанных матрицей | 600-1000 | Электрическая утилита | Более высокая эффективность, гибкость топлива, недорогие катализаторы |
| Твердый оксид (ТОТЭ) | Твердый оксид циркония, к которому добавлено небольшое количество иттрия | 600-1000 | Электрическая утилита | Более высокая эффективность, гибкость топлива, недорогие катализаторы. Преимущества твердого электролита, такие как PEM |
ИСТОЧНИК: Сайфур Рахман