Топливный элемент (ТЭ) - устройство, которое напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую в процессе электрохимической реакции (в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива и "механическое" преобразование энергии). С практической точки зрения топливный элемент отдаленно напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы топливо расходуется, и батарея разряжается. В топливном элементе для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника.

При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции, помимо электрической энергии, являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.

Одним из мотивирующих факторов для развития этого направления в промышленных масштабах является тот факт, что топливные элементы обеспечивают больше энергии на единицу удельного объема, чем традиционные аккумуляторы. Тем не менее, основной проблемой для широкого использования ТЭ в автомобильной промышленности является недостаточное развитие технологий и трудность в определении оптимальной конфигурации топливных элементов для использования в автомобилях и портативных приложениях.

Виды тэ

Существуют различные виды ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, что определяет область применения, КПД, вид топлива и тип катализатора, используемый в ТЭ {Прим. ред.: и многим другим параметрам}.

Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора. Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ. Водород считается основным источником топлива для ТЭ, однако процесс преобразования топлива позволяет извлекать водород и из других его видов, включая метанол, природный газ, нефть и др. {Прим. ред. ... и крайне неэффективен пока что...}

В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита:

1. Топливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells)/твердо-полимерные ТЭ (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) - PEMFC.

2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC).

5. Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC).

6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells,DMFC), топливные элементы с прямым окислением этанола (Direct Еthanol Fuel Cells,DЕFC).

Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с ионообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.

Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.

Для автомобильной промышленности наиболее оптимальными являются PEMFC, SOFC,DMFC и DЕFC.

Топливные элементы с ионообменной мембраной (pemfc)

Твердо-полимерные топливные элементы, называемые также ТЭ с ионообменной мембраной, обеспечивают высокую мощность и обладают низким весом и объемом по сравнению с другими топливными элементами. Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород.

Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция:

2H₂ = 4H⁺ + 4e.

Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны — через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды:

O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O.

Рис. 1. Схема устройства PEMFC.

Одна ячейка такого элемента (Рис. 1), состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород.

Эти топливные элементы отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1--100 кВт. В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 500 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт

PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). Низкотемпературный режим работы позволяет им начать работу быстрее (минимальный прогрев) и приводит к меньшему износу составляющих блоков системы, в результате чего наблюдается более долгий срок службы. Однако для их функционирования требуется дорогостоящий катализатор (как правило, платина). Платиновый катализатор весьма чувствителен к угарному газу, образующемуся как побочный продукт во время реакции в ТЭ, поэтому для его работы необходимо использовать дополнительный реактор, позволяющий снизить содержание CO в топливном газе (в случае использования углеводородного топлива для генерации водорода). Это также добавляет стоимость. Разработчики в настоящее время изучают Pt/Ru катализаторы, которые более устойчивы к присутствию CO.

Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.