Топливные элементы на основе расплавов карбонатов – mcfc
В качестве расплавленного карбонатного электролита обычно используют литий/калиевый карбонат (Li2CO3/K2CO3) или литий/натриевый карбонат (Li2CO3/Na2CO3) в керамической матрице на основе алюминия (LiAlO2). При высоких рабочих температурах щелочные карбонаты образуют проводящий солевой расплав, в котором ионы карбонатов обеспечивают ионную проводимость. Для увеличения механической прочности матрица может быть дополнена волокнами Al2O3. Натрий, замещая калий в расплаве, стабилизирует электролит и, как ожидается, приводит к увеличению времени жизни электролита. Так как карбонатные ионы (CO32-) транспортируются от анода через электролит к катоду, то на катоде в дополнение к кислороду требуется СО2. Обычно двуокись углерода поставляется на катод из продуктов реакций на аноде.
Так как рабочая температура очень высока (600-700°С), кинетика реакций на катоде также чрезвычайно высока по сравнению с PEMFC и PAFC. По этой же причине нет необходимости в использовании особых металлических катализаторов. На катоде обычно используют оксид никеля. Также исследовался и литиевый оксид в качестве катализатора. На аноде используются либо никель-алюминиевый сплав, либо хром-никелевый сплав.
Щелочные топливные элементы – afc
Щелочные топливные элементы были одними из первых топливных элементов, разработанных в начале 1960-х годов. Они были первыми топливными элементами, использованными в американской космической программе челноков Аполлон для обеспечения электрической энергией. В качестве электролита используется концентрированная 85 %вес щелочь калия (КОН) в топливных элементах, работающих при высоких температурах (выше 250°С), и менее концентрированная (35-50 %вес) КОН работы при низких температурах.
Недавно разработанные системы могут работать при температурах ниже 100°С. Восстановление кислорода в щелочной среде происходит намного быстрее, чем в кислотной среде как в PEMFC топливном элементе. Таким образом, становится возможным использовать, в дополнение к катализаторам из благородных металлов, другие электрокатализаторы, например, Ni, Ag, оксиды металлов, шпинели. Недорогие катализаторы, такие как никель и серебро фирмы Raney, были исследованы на ранних стадиях разработок AFC топливных элементов.
(начиная отсюда необязательная инфа)
Проблемы и перспективы использования топливных элементов в автомобильной промышленности
Одно из главных препятствий, связанное с использованием водорода в автомобилях, - это возможность его хранения. Водород может храниться в виде сжатого газа, в виде криогенной жидкости или в виде гидридов металлов. Тары для газообразного водорода очень объемны; количество, которое может в них хранится, зависит от топливной эффективности и требуемой области действия (обычно емкость соответствует 300 милям или 500 км). Для того чтобы достичь лучшего сочетания между вместимостью тары для хранения, топливной эффективностью автомобиля и его областью действия, необходимы дальнейшие улучшения в дизайне машины, представления новых облегченных по весу композитных материалов или возможности сжатия водорода до давления 700 бар.
Трудность хранения водорода внутри автомобиля, так же как и отсутствие водородной инфраструктуры, заставила производителей автомобилей отказаться от их массового производства в пользу автомобилей с более удобным в применении топливом. В этом случае ТЭ должен быть интегрирован с топливным процессором, который производит водород из бензина или метанола (процесс риформинга). Однако, независимо от выбранного способа, внутренний риформинг увеличивает многочисленные инженерные проблемы:
- уменьшает общую эффективность системы двигателя, которая приводит к увеличению размера ТЭ,
- увеличивает сложность, размер, вес и стоимость системы двигателя,
- для запуска топливного процессора на практике требуется слишком много времени (эту проблему можно избежать с использованием гибридной конфигурации),
- срок жизни протон-проводящей мембраны напрямую зависит от степени очистки водорода.
Многие производители автомобилей совершенствуют свои собственные разработки протон-проводящей мембраны для использования их в своих автомобилях, например, компания Honda в модели автомобиля FCX Clarity (Рис.3.), компания General Motors вCherolet на основе ТЭ - модели Volt и Equinox, компания Volkswagen в ТЭ-моделяхTouran и Tiguan.
Рис. 3. Honda FCX Clarity - первый в мире серийный автомобиль на топливных элементах.
Компания Toyota Motor планирует уже в 2015 г. начать мировые продажи транспортных средств на водородных ТЭ. Однако предполагается, что годовой объем продаж не превысит нескольких тысяч «автомобилей будущего». Причина скромных планов заключается в высокой стоимости технологической новинки. Алан Юттенховен (Alain Uyttenhoven) вице-президент компании Toyota Europe ожидает, что в Европе транспортное средство на топливных элементах Toyota Prius будет продаваться в розницу приблизительно за 100 000 евро.
Организация ZERO, занимающаяся продвижением низко-эмиссионных (или с нулевым уровнем выбросов) автомобилей в Норвегии, в апреле 2012 г. провеладемонстрационный проект, проехав на двух гибридных электромобилях на топливных элементах Hyundai iX35 из Осло в Монте-Карло (2260 км), используя только водородные заправочные станции.
Рис. 4. Организаторы пробега Осло - Монте-Карло на гибридном Hyundai iX35 в 2012 г.
В то время как первые автомобили на основе ТЭ базируются на особенном дизайне ТЭ, все другие получают заменой системы обычного двигателя (ДВС) на систему ТЭ. Единственная компания среди большинства автопроизводителей - компания BMW -развивает дополнительный энергетический блок на основе твердо-оксидных ТЭ (SOFC) для модели BMW 7-ой серии класса «люкс».
В настоящее время автомобили на основе ТЭ, в силу того, что они все еще являются недоразвитой технологией и находятся пока на уровне прототипов, значительно дороже автомобилей с ДВС, массово производимых в мире. Однако, прогнозы, представленные производителями автомобилей, показывают, что ценовая конкурентная способность может быть достигнута к 2014-2016 гг. Основные компоненты ТЭ, определяющие его высокую стоимость, являются катализатор (платина или сплавы на ее основе), ионная мембрана (NаFion или другой фтор-полимер) и графитовые биполярные пластины. Целевая стоимость для автомобилей на основе ТЭ сравнима с текущей стоимостью автомобилей с ДВС, т.е. $35-$50/кВт, и требует увеличения экономии при массовом производстве заготовок и улучшения характеристик в ключе «Ватт/единица активной площади».
Водород – единственный вид топлива, позволяющий производить низко эмиссионные автомобили, особенно если водород при этом производится из возобновляемых источников. Использование водорода как транспортного топлива может уменьшить зависимость от нефти, мировые запасы которой ежегодно существенно уменьшаются. Система ТЭ, использующая чистый водород, - относительно простая, она имеет лучшие характеристики, более эффективно работает и обладает самой длительной продолжительностью работы. Также, несмотря на свою репутацию, водород абсолютно нетоксичен, и его использование достаточно безопасно. Исследования, проведенные под руководством доктора Майкла Свэна (Dr Michael Swain) в Университете Майами (США) показали, что автомобиль на водородном топливе в отличие от автомобилей, использующих в качестве топлива природный газ, при возгорании двигателя не подвержены распространению огня на весь автомобиль. Ниже представлены сравнительные кадры из видеоматериала, полученного американскими учеными (слева: автомобиль на водороде, справа: автомобиль на газу).
0 мин. 0 сек.
0 мин. 3 сек.
1 мин. 0 сек.
Также одним из сдерживающих факторов для развития ТЭ-технологий является высокая стоимость катализаторов, позволяющих повысить конверсию химических реакций. Катализаторы, используемые в ТЭ, представляют зачастую дорогостоящую платину в чистом виде или ее сплавы, что определяет высокую цену всего ТЭ-устройства. Кроме того, по ряду причин (недостаточная очистка топлива, неполное окисление топлива (CO), примеси серы) возможно загрязнение платина-содержащих катализаторов. Эти вопросы должны быть решены для того, чтобы облегчить использование топливных элементов для любых приложений.