Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Топливные элементы

Топливные элементы (ТЭ) или топливные ячейки – это устройства, в которых идет химическая реакция с получением электрической и тепловой энергии, но без горения. ТЭ состоит из катода, анода и электролита жидкого или твердого в виде мембраны. Электроды содержат катализаторы. В отличие от гальванического элемента в установку непрерывно подводятся компоненты топлива и отводятся продукты реакции. ТЭ не может запасать электроэнергию или заряжаться. Фактически в ТЭ происходит непрерывная реакция обратная электролизу воды. Эффективность преобразования в электроэнергию в ТЭ находится на уровне 30-70%, общий коэффициент использования топлива на уровне 70-85%.

Различают разные виды топливных элементов:

  • низкотемпературные до 200°С и высокотемпературные до 1000°С;
  • по применяемому топливу (водород, метан, биогаз, метанол);
  • по типу электролита: на основе жидкого карбоната, фосфорной кислоты, твердооксидные, твердокислотные, щелочные, полимерные, с прямым окислением метанола (для необходимой проводимости электролита достигается соответствующая температура).

Для водородного топлива:

  • реакция на аноде в присутствии катализатора: 2H2 => 4H+ + 4e-;
  • реакция на катоде в присутствии катализатора с выделением теплоты: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O (протон проходит от анода к катоду через электролит; образующиеся у анода электроны проходят по внешней электрической цепи к катоду в виде постоянного тока);
  • общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O сопровождается постоянным током во внешней цепи и тепловыделением.

Топливные элементы имеют следующие преимущества – высокий к.п.д по электричеству и по использованию топлива, независимость характеристик эффективности от мощности, отсутствие шума и вредных выбросов в окружающую среду, безотходность технологии, надежность и простота. При работе на различных топливах эмиссия (выброс в атмосферу) вредных газов очень низкая. Высокий ресурс.

Минусы – высокая стоимость, инерционность (запуск требует нескольких часов). При отсутствии чистого водорода его вначале нужно получить из других веществ. Возможно его получение из природного газа, аммиака, другого водородосодержащего сырья. Источник кислорода – воздух. Следует отметить, что в ТЭ разного типа разные рабочие температуры от 60 до 1000°С определяются проводимостью электролитов.

На сегодня ТЭ еще дороги и их приобретение могут себе позволить немногие, но идет процесс удешевления и этих технологий.

Описание работы и особенностей работы ТЭ см. по жидко-карбонатным ТЭ фирмы MTU статью И.Маслова, по твердо-оксидным – презентацию фирмы Siemens, также статью “Топливные элементы”.

Информация о ТЭ различной мощности и назначения приведена, например, на сайте компании ENCE GmbH.