Топливный элемент

Топливный элемент производит электричество, используя энергию, высвобождаемую при смешивании топлива с воздухом - реакцию, в результате которой образуется вода, а иногда и углекислый газ. Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, который при реакции с кислородом из воздуха вырабатывает только воду. Топливные элементы работают как батарея, постоянно питающаяся топливом, поэтому они никогда не разряжаются (пока у вас достаточно топлива). Топливные элементы являются важной частью экономии водорода. Молекулы водорода содержатся в таких веществах, как метан, вода и биомасса, но во всех случаях для их извлечения требуется определенная энергия. Существует два общих способа получения водорода - он может быть отделен от большинства видов топлива, таких как нефть, газ, уголь, в процессе, называемом паровым риформингом, или может быть извлечен из воды с помощью процесса, называемого электролизом. Если водород отделяется от ископаемого топлива, высвобождается углекислый газ. Если энергия, используемая для его извлечения из воды с помощью электролиза, поступает от солнца или ветра, то образующийся водород является доброкачественным, так как при этом не выделяется никаких выбросов. Водород можно также отделить от возобновляемого биогаза, т.е. выделяемый углерод не имеет ископаемого происхождения и, следовательно, является частью естественного углеродного цикла.

Топливный элемент с прямым метанолом. Фактическая штабель топливного элемента представляет собой слоистую двухкубовую структуру в центре изображения.

Как преобразовать энергию

Вода - это молекула, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Ей требуется энергия для разделения воды на кислород и водород, и энергия высвобождается, когда они снова соединяются как вода. Топливный элемент соединяет водород и кислород, таким образом высвобождая энергию в виде электричества.

Топливо (источник энергии, как правило, водород) и воздух (содержащий кислород) помещаются в противоположные стороны топливного элемента. В середине топливного элемента находится "экран", называемый электролитом, зажатым между двумя металлическими пластинами, называемыми электродами, который разделяет топливо и воздух. Различные виды топливных элементов получают свои названия в зависимости от того, какой тип экрана используется для разделения топлива и воздуха. Экран позволяет пропускать через него только определенные заряженные молекулы, также известные как ионы.

Чтобы создать ионы, электроны должны быть перенесены с одной стороны системы на другую. Электроны отделяются от топлива металлической пластиной со стороны топлива и должны перемещаться на воздушную сторону для завершения реакции. Поскольку экран не пропускает электроны, они проходят через отдельный провод, к другой металлической пластине со стороны воздуха. Путешествие электронов создает электрический ток (электричество). Провод - это то место, где можно использовать электричество. Например, провод можно разрезать пополам, а лампочку можно соединить между двумя половинками.

В то же время ионы проходят через экран и реагируют с молекулами (уже с другой стороны) и электронами (которые прошли через провод, отдавая энергию силовой электронике) с другой стороны. Образовывается вода (и, в зависимости от вида топлива, иногда другие продукты), которая выходит через выхлопную трубу.

Эффективность

Топливные элементы производят электричество, комбинируя кислород и водород. Эффективность очень хорошая (около 40%-70%). Они имеют максимальный КПД 83%, если во время реакции используется тепло выхлопных газов. Кроме того, топливные элементы могут использовать различные виды топлива, например, природный газ, метанол, сжиженный нефтяной газ (LPG), нафту, керосин и др.

Особенности

Некоторые типы топливных элементов производят только воду, что означает отсутствие загрязнения. Большинство типов топливных элементов вызывают гораздо меньше выбросов, чем классическое ("калорийное") производство электроэнергии. Они могут потреблять те же типы топлива, что и классические электрогенераторы, например, дизельные двигатели, но они примерно в два раза эффективнее, что означает, что они могут вырабатывать одинаковое количество энергии при использовании вдвое меньшего количества топлива, и, таким образом, по крайней мере, вдвое меньше загрязняющих веществ. Кроме того, при использовании топливных элементов прямого преобразования снижается риск образования вторичных выбросов, таких как NOx, SOx и твердые частицы, которые являются побочным эффектом сгорания, способствуют глобальному потеплению и известны как загрязняющие вещества-критерий.

Топливные ячейки очень тихие. У них нет движущихся частей, кроме некоторых вентиляторов для перемещения воздуха, а насосы для перемещения воды, что означает, что они очень редко нуждаются в ремонте, однако некоторые крупные топливные элементы, используемые для питания таких вещей, как здания, могут быть довольно хрупкими.

Из-за очень низкого уровня выбросов загрязняющих веществ топливные элементы часто используются в транспортных средствах, которые перемещаются внутри зданий, например, в вилочных погрузчиках. Поскольку они очень тихие, они используются на некоторых военных подводных лодках, чтобы избежать обнаружения. Топливо используется более эффективно, что означает, что топливные элементы могут работать дольше без получения нового топлива. Это позволяет использовать их в труднодоступных местах, таких как метеорологические или исследовательские станции, космические корабли или военные базы.

Поскольку для запуска космических кораблей используются ракеты, содержащие чистый водород и кислород, то для производства бортового электричества используются очень эффективные топливные элементы, которые могут использовать эти виды топлива. Кроме того, топливные элементы на космических кораблях вырабатывают чистую воду на выхлопе, которую можно улавливать и использовать в качестве питьевой воды для астронавтов, то есть абсолютно ничего не тратится впустую.

Типы топливных элементов

Топливные элементы могут быть классифицированы по типу внутреннего экрана (электролит). Например, фосфорно-кислотные топливные элементы предназначены для низких температур. Он используется в сотовых телефонах и автомобильных источниках питания, которые требуют больших токов, потому что это гораздо безопаснее. Щелочные топливные элементы обычно содержат гидроксид калия (KOH). Метаноловые топливные элементы используются для электрохимической реакции на метанол. Этот тип топливных элементов является лучшим выбором для более простой системы. Но метаноловые топливные элементы имеют низкую выходную плотность, так как скорость реакции низкая.

Некоторые важные виды топливных элементов:

Топливные элементы с фосфорной кислотой (PAFC) - Топливные элементы с фосфорной кислотой доступны сегодня на рынке. Это наиболее распространенные топливные элементы для комбинированного производства тепла и электроэнергии.
Протонообменные мембранные топливные элементы (PEM) - Эти топливные элементы работают при относительно низких температурах (около 175 °F), имеют высокую удельную мощность, могут быстро изменять свою выходную мощность в соответствии со сменой потребности в мощности, и подходят для применения, например, в автомобилях, где требуется быстрый запуск. Все автомобили на коммерческих топливных элементах используют этот тип топливных элементов. Недостатком этих топливных элементов является то, что они требуют водорода высокой чистоты, который является дорогостоящим для производства.
Расплавленный карбонатный топливный элемент (MCFC) - Эти топливные элементы работают при очень высоких температурах, что позволяет им преобразовывать более сложные виды топлива, такие как природный газ, в водородное топливо, которое будет использоваться самим элементом. На их запуск и остановку уходит несколько часов, поэтому они используются только в тех случаях, когда они могут продолжать работать непрерывно, например, для стационарного электроснабжения крупных зданий/предприятий.
Microbial fuel cell (MFC) (Микробный топливный элемент) - топливный элемент, использующий дыхательные микробы для преобразования органических субстратов в электрическую энергию с помощью реакций окисления-восстановления.

Заявления

Существует много областей применения топливных элементов - крупные автопроизводители работают над коммерциализацией автомобилей на топливных элементах. Toyota и Honda выпустили Mirai и Clarity соответственно. Топливные элементы приводятся в движение автобусами, лодками, поездами, самолетами, скутерами, вилочными погрузчиками и велосипедами. На топливных элементах установлены торговые автоматы, пылесосы и дорожные знаки. Прогнозируются миниатюрные топливные элементы для сотовых телефонов, ноутбуков и портативной электроники. Больницы, центры кредитных карт, полицейские участки и банки используют топливные ячейки для электроснабжения своих объектов. Очистные сооружения и свалки используют их для преобразования вырабатываемого метана в электричество. Топливные элементы давно используются в космосе. Телекоммуникационные компании используют топливные элементы на сотовых телефонах, радиостанциях и 911 башнях.

Вопросы и ответы

В: Как топливный элемент вырабатывает электричество?

О: Топливный элемент вырабатывает электричество, смешивая топливо с воздухом и создавая реакцию, в результате которой высвобождается энергия, образуется вода и иногда углекислый газ.

В: Какое топливо чаще всего используется в топливных элементах?

О: Наиболее распространенным топливом, используемым в топливных элементах, является водород.

В: Чем топливный элемент отличается от батареи?

О: Топливный элемент отличается от аккумулятора тем, что в него постоянно подается топливо, поэтому он никогда не разряжается, пока имеется достаточно топлива.

В: Что такое водородная экономика?

О: Водородная экономика относится к использованию водорода в качестве источника топлива, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива.

В: Как производится водород?

О: Водород может быть произведен с помощью процесса, называемого паровым риформингом, или извлечен из воды с помощью процесса, называемого электролизом.

В: Что происходит, когда водород отделяется от ископаемого топлива?

О: При выделении водорода из ископаемого топлива выделяется углекислый газ.

В: Можно ли производить водород таким образом, чтобы не было вредных выбросов?

О: Да, если энергия, используемая для производства водорода, поступает из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, то производимый водород является безвредным, так как при этом не происходит никаких выбросов. Водород также может быть выделен из возобновляемого биогаза, что означает, что выделяемый углерод не имеет ископаемого происхождения и, следовательно, является частью естественного цикла углерода.