Топливная ячейка

Эта статья нуждается в обновлении . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Февраль 2021 г. )

Демонстрационная модель топливного элемента, работающего на прямом метаноле (черный слоистый куб) в его корпусе.

Схема протонпроводящего топливного элемента

Топливный элемент представляет собой гальванический элемент , который преобразует химическую энергию топливного (часто водород ) и окисляющий агент (часто кислород ^[1] ) в электрическую энергию через пару окислительно - восстановительные реакции. ^[2] Топливные элементы отличаются от большинства батарей тем, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батареях химическая энергия обычно исходит от металлов и их ионов или оксидов ^[3], которые обычно уже присутствуют в батарее, за исключением проточных батарей. Топливные элементы могут производить электричество непрерывно, пока есть топливо и кислород.

Первые топливные элементы были изобретены сэром Уильямом Гроувом в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло более века спустя после изобретения водородно-кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1932 году. Щелочной топливный элемент , также известный как топливный элемент Бэкона после его изобретателя, использовался в космических программах НАСА с середины 1960-х годов для выработки энергии для спутников и космических капсул . С тех пор топливные элементы использовались во многих других областях. Топливные элементы используются в качестве основного и резервного источника питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания автомобилей на топливных элементах., в том числе вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода , катода и электролита, который позволяет ионам, часто положительно заряженным ионам водорода (протонам), перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор вызывает реакции окисления топлива, которые генерируют ионы (часто положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Ионы перемещаются от анода к катоду через электролит. В то же время электроны текут от анода к катоду через внешнюю цепь, создавая постоянный ток.электричество. На катоде другой катализатор заставляет ионы, электроны и кислород вступать в реакцию с образованием воды и, возможно, других продуктов. Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска в диапазоне от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы PEM или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC). Родственная технология - проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем подзарядки. Отдельные топливные элементы создают относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «уложены друг на друга» или размещены последовательно, чтобы создать напряжение, достаточное для удовлетворения требований приложения. ^[4]Помимо электроэнергии, топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшие количества диоксида азота и другие выбросы. Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет от 40 до 60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации , может быть получен КПД до 85%. ^[5]

Рынок топливных элементов растет, и в 2013 году Pike Research подсчитала, что к 2020 году рынок стационарных топливных элементов достигнет 50 ГВт ^[6].

История [ править ]

Первые упоминания о водородных топливных элементах появились в 1838 году. В письме, датированном октябрем 1838 года, но опубликованном в выпуске за декабрь 1838 года Лондонского и Эдинбургского философского журнала и журнала Science , валлийский физик и адвокат сэр Уильям Гроув написал о разработке своего первого сырые топливные элементы. Он использовал комбинацию листового железа, меди и фарфоровых пластин, а также раствор сульфата меди и разбавленной кислоты. ^{[7] [8]} В письме к той же публикации, написанном в декабре 1838 г., но опубликованном в июне 1839 г., немецкий физик Кристиан Фридрих Шёнбейн рассказал о первом изобретенном им неочищенном топливном элементе. В его письме обсуждался ток, генерируемый водородом и кислородом, растворенным в воде.^[9] Гроув позже набросал свой рисунок в 1842 году в том же журнале. В топливном элементе, который он создал, использовались материалы, аналогичные сегодняшним топливным элементам на основе фосфорной кислоты . ^{[10] [11]}

В 1932 году английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон успешно разработал стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. ^[12] щелочной топливный элемент (АФК), также известный как топливный элемент бекона после ее изобретателя, является одним из наиболее развитых технологий топливных элементов, который НАСА использовал с середины 1960-х годов. ^{[12] [13]}

В 1955 году У. Томас Грабб, химик, работавший в General Electric Company (GE), дополнительно модифицировал первоначальную конструкцию топливного элемента, используя ионообменную мембрану из сульфированного полистирола в качестве электролита. Три года спустя другой химик GE, Леонард Нидрах, разработал способ нанесения платины на мембрану, которая служила катализатором необходимых реакций окисления водорода и восстановления кислорода. Он стал известен как «топливный элемент Грабба-Нидраха». ^{[14] [15]} GE продолжила разработку этой технологии совместно с НАСА и McDonnell Aircraft, что привело к ее использованию во время проекта Gemini . Это было первое коммерческое использование топливного элемента. В 1959 году группа под руководством Гарри Айрига построила трактор на топливных элементах мощностью 15 кВт для Allis-Chalmers., который демонстрировался в США на государственных ярмарках. В этой системе в качестве электролита использовался гидроксид калия, а в качестве реагентов - сжатый водород и кислород. Позже, в 1959 году, Бэкон и его коллеги продемонстрировали практичный пятикиловаттный агрегат, способный питать сварочный аппарат. В 1960-х годах Pratt & Whitney лицензировали патенты Бэкона в США для использования в космической программе США для снабжения электричеством и питьевой водой (водород и кислород легко доступны из резервуаров космического корабля). В 1991 году Роджер Биллингс разработал первый автомобиль на водородных топливных элементах . ^{[16] [17]}

UTC Power была первой компанией, которая произвела и выпустила на рынок большую стационарную систему топливных элементов для использования в качестве когенерационной электростанции в больницах, университетах и ​​больших офисных зданиях. ^[18]

Признавая промышленность топливных элементов и роль Америки в разработке топливных элементов, Сенат США объявил 8 октября 2015 года Национальным днем ​​водорода и топливных элементов , приняв S. RES 217. Дата была выбрана с учетом атомного веса водорода (1,008). ). ^[19]

Типы топливных элементов; дизайн [ править ]

Топливные элементы бывают разных видов; однако все они работают одинаково. Они состоят из трех смежных сегментов: анода , электролита и катода . На границах трех разных сегментов происходят две химические реакции. Конечным результатом этих двух реакций является потребление топлива, образование воды или углекислого газа и создание электрического тока, который можно использовать для питания электрических устройств, обычно называемых нагрузкой.

На аноде катализатор окисляет топливо, обычно водород, превращая топливо в положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Электролит - это вещество, специально разработанное таким образом, чтобы ионы могли проходить через него, а электроны - нет. Освободившиеся электроны проходят по проводу, создавая электрический ток. Ионы проходят через электролит к катоду. Достигнув катода, ионы воссоединяются с электронами, и оба реагируют с третьим химическим веществом, обычно кислородом, с образованием воды или углекислого газа.

Конструктивные особенности топливного элемента включают:

• Электролитное вещество, которое обычно определяет тип топливного элемента, может состоять из ряда веществ, таких как гидроксид калия, соли карбонатов и фосфорная кислота. ^[20]
• Используемое топливо. Наиболее распространенное топливо - водород.
• Анодный катализатор, обычно мелкодисперсный платиновый порошок, расщепляет топливо на электроны и ионы.
• Катодный катализатор, часто никель, превращает ионы в химические отходы, причем вода является наиболее распространенным типом отходов. ^[21]
• Газодиффузионные слои, устойчивые к окислению. ^[21]

Типичный топливный элемент вырабатывает напряжение от 0,6 до 0,7 В при полной номинальной нагрузке. Напряжение уменьшается с увеличением тока из-за нескольких факторов:

• Потеря активации
• Омические потери ( падение напряжения из-за сопротивления компонентов ячейки и соединений)
• Потери при переносе массы (истощение реагентов на участках катализатора при высоких нагрузках, вызывающее быструю потерю напряжения). ^[22]

Чтобы доставить желаемое количество энергии, топливные элементы могут быть объединены последовательно для получения более высокого напряжения и параллельно для обеспечения подачи более высокого тока . Такая конструкция называется батареей топливных элементов . Площадь поверхности ячейки также может быть увеличена, чтобы пропускать более высокий ток от каждой ячейки.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFCs) [ править ]

В типичной конструкции топливного элемента с протонообменной мембраной из оксида водорода и протона протонпроводящая полимерная мембрана (обычно нафион ) содержит раствор электролита , разделяющий анодную и катодную стороны. ^{[26] [27]} Это называлось топливным элементом с твердым полимерным электролитом ( SPEFC ) в начале 1970-х, до того как механизм протонного обмена был хорошо понят. (Обратите внимание, что синонимы « мембрана полимерный электролит» и « механизм протонного обмена» приводят к одному и тому же аббревиатуру .)

Со стороны анода водород диффундирует к анодному катализатору, где он позже диссоциирует на протоны и электроны. Эти протоны часто вступают в реакцию с окислителями, в результате чего они становятся так называемыми протонными мембранами с множественным облегчением. Протоны проходят через мембрану к катоду, но электроны вынуждены перемещаться по внешней цепи (подающей энергию), потому что мембрана электрически изолирует. На катодном катализаторе молекулы кислорода реагируют с электронами (которые прошли через внешнюю цепь) и протонами с образованием воды.

В дополнение к этому типу чистого водорода существуют углеводородные топлива для топливных элементов, включая дизельное топливо , метанол ( см. Топливные элементы с прямым метанолом и топливные элементы с косвенным использованием метанола ) и химические гидриды. Отходами с этими видами топлива являются углекислый газ и вода. Когда используется водород, CO ₂ выделяется, когда метан из природного газа объединяется с водяным паром в процессе, называемом паровым риформингом метана , для производства водорода. Это может происходить в месте, отличном от топливного элемента, что потенциально позволяет использовать водородный топливный элемент в помещении, например, в вилочных погрузчиках.

Различные компоненты PEMFC:

1. биполярные пластины,
2. электроды ,
3. катализатор ,
4. мембрана и
5. необходимое оборудование, такое как токоприемники и прокладки. ^[28]

Материалы, используемые для различных частей топливных элементов, различаются по типу. Двухполюсные пластины могут быть изготовлены из различных видов материалов, таких как, металл, металл с покрытием, графита , гибкого графита, С-С композита , углерод - полимер , композиционные материалы и т.п. ^[29] мембранный электродный узел (МЭУ) упоминается как сердце PEMFC и обычно состоит из протонообменной мембраны, зажатой между двумя покрытыми катализатором углеродными бумагами . Платина и / или подобные благородные металлы обычно используются в качестве катализатора для PEMFC. Электролит может быть полимерной мембраной .

Проблемы конструкции топливного элемента с протонообменной мембраной [ править ]

Расходы

В 2013 году министерство энергетики оценило, что затраты на систему автомобильных топливных элементов мощностью 80 кВт составят 67 долларов США за киловатт при условии, что объем производства составит 100 000 единиц в год, и 55 долларов США за киловатт, если объем производства составит 500 000 единиц. в год. ^[30] Многие компании работают над методами снижения затрат различными способами, включая уменьшение количества платины, необходимой в каждой отдельной ячейке. Ballard Power Systems экспериментировала с катализатором, усиленным углеродным шелком, который позволяет снизить потребление платины на 30% (1,0–0,7 мг / см ² ) без снижения производительности. ^[31] Университет Монаша , Мельбурниспользует PEDOT в качестве катода . ^[32] В опубликованном в 2011 году исследовании ^[33] задокументирован первый безметалловый электрокатализатор с использованием относительно недорогих легированных углеродных нанотрубок , стоимость которых составляет менее 1% от стоимости платины и которые имеют равные или лучшие характеристики. Недавно опубликованная статья продемонстрировала, как изменяется нагрузка на окружающую среду при использовании углеродных нанотрубок в качестве углеродной подложки для платины. ^[34]

Управление водными и воздушными ресурсами ^{[35] [36]} (в PEMFC)

В топливных элементах этого типа мембрана должна быть гидратирована, что требует испарения воды с той же скоростью, с которой она образуется. Если вода испаряется слишком быстро, мембрана высыхает, сопротивление на ней увеличивается, и в конечном итоге она треснет, создавая газовое «короткое замыкание», в котором водород и кислород соединяются напрямую, выделяя тепло, которое повредит топливный элемент. Если вода испаряется слишком медленно, электроды будут затоплять, не позволяя реагентам достичь катализатора и останавливая реакцию. Методы управления водой в клетках разрабатываются как электроосмотические насосы, ориентированные на контроль потока. Как и в двигателе внутреннего сгорания, для эффективной работы топливного элемента необходимо постоянное соотношение между реагентом и кислородом.

Управление температурой

Во всей ячейке должна поддерживаться одна и та же температура, чтобы предотвратить разрушение ячейки из-за тепловой нагрузки . Это особенно сложно, поскольку реакция 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O является сильно экзотермической, поэтому внутри топливного элемента выделяется большое количество тепла.

Прочность, срок службы и особые требования к некоторым типам ячеек

Стационарные топливные элементы обычно требуют более 40000 часов надежной работы при температуре от -35 ° C до 40 ° C (от -31 ° F до 104 ° F), в то время как автомобильные топливные элементы требуют срока службы 5000 часов (эквивалент 240 000 км (150 000 миль)) при экстремальных температурах. Текущий срок службы - 2500 часов (около 75000 миль). ^[37] Автомобильные двигатели также должны иметь возможность надежно запускаться при температуре –30 ° C (–22 ° F) и иметь высокое отношение мощности к объему (обычно 2,5 кВт / л).

Ограниченная толерантность к монооксиду углерода некоторых катодов (кроме PEDOT)

Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC) [ править ]

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) были впервые разработаны и представлены в 1961 году GV Elmore и HA Tanner . В этих ячейках фосфорная кислота используется в качестве непроводящего электролита для передачи положительных ионов водорода от анода к катоду. Эти элементы обычно работают при температуре от 150 до 200 градусов Цельсия. Эта высокая температура приведет к потере тепла и энергии, если тепло не будет отводиться и использоваться должным образом. Это тепло можно использовать для производства пара для систем кондиционирования воздуха или любой другой системы, потребляющей тепловую энергию. ^[38] Использование этого тепла в когенерации может повысить эффективность топливных элементов на основе фосфорной кислоты с 40-50% до примерно 80%. ^[38]Фосфорная кислота, электролит, используемый в PAFC, представляет собой непроводящую жидкую кислоту, которая заставляет электроны перемещаться от анода к катоду через внешнюю электрическую цепь. Поскольку скорость образования ионов водорода на аноде мала, платина используется в качестве катализатора для увеличения этой скорости ионизации. Ключевым недостатком этих элементов является использование кислого электролита. Это увеличивает коррозию или окисление компонентов, подверженных воздействию фосфорной кислоты. ^[39]

Твердокислотный топливный элемент (SAFC) [ править ]

Твердые кислотные топливные элементы (SAFC) характеризуются использованием твердого кислотного материала в качестве электролита. При низких температурах твердые кислоты имеют упорядоченную молекулярную структуру, как и большинство солей. При более высоких температурах (от 140 до 150  ° C для CsHSO ₄ ) некоторые твердые кислоты претерпевают фазовый переход и становятся сильно разупорядоченными «суперпротонными» структурами, что увеличивает проводимость на несколько порядков. Первые проверенные концепции SAFC были разработаны в 2000 году с использованием гидросульфата цезия (CsHSO ₄ ). ^{[40] В} современных системах SAFC используется дигидрофосфат цезия (CsH ₂ PO ₄ ), и срок их службы исчисляется тысячами часов. ^[41]

Щелочной топливный элемент (AFC) [ править ]

Щелочной топливный элемент или водородно-кислородный топливный элемент был разработан и впервые публично продемонстрирован Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1959 году. Он использовался в качестве основного источника электроэнергии в космической программе Аполлона. ^[42] Ячейка состоит из двух пористых углеродных электродов, пропитанных подходящим катализатором, таким как Pt, Ag, CoO и т. Д. Пространство между двумя электродами заполнено концентрированным раствором KOH или NaOH, который служит электролитом. Газ H ₂ и O ₂газ барботируется в электролит через пористые углеродные электроды. Таким образом, общая реакция включает комбинацию газообразного водорода и газообразного кислорода с образованием воды. Ячейка работает непрерывно до тех пор, пока не закончится запас реагента. Этот тип ячейки эффективно работает в диапазоне температур 343–413  K и обеспечивает потенциал около 0,9  В. ^[43] AAEMFC - это тип AFC, в котором вместо водного гидроксида калия (KOH) используется твердый полимерный электролит (KOH), и он превосходит его. к водной AFC.

Высокотемпературные топливные элементы [ править ]

Твердооксидный топливный элемент [ править ]

Твердые топливные элементы (ТОТЭ) используют твердый материал, чаще всего керамического материала , называемые иттрия-стабилизированного диоксида циркония (YSZ), в качестве электролита . Поскольку ТОТЭ полностью изготовлены из твердых материалов, они не ограничиваются плоской конфигурацией топливных элементов других типов и часто имеют форму свернутых труб. Они требуют высоких рабочих температур (800–1000 ° C) и могут работать на различных видах топлива, включая природный газ. ^[5]

ТОТЭ уникальны тем, что в них отрицательно заряженные ионы кислорода перемещаются от катода (положительная сторона топливного элемента) к аноду (отрицательная сторона топливного элемента) вместо положительно заряженных ионов водорода, перемещающихся от анода к катоду, как это происходит. дело во всех других типах топливных элементов. Газообразный кислород подается через катод, где он поглощает электроны, создавая ионы кислорода. Затем ионы кислорода проходят через электролит, чтобы реагировать с газообразным водородом на аноде. В результате реакции на аноде в качестве побочных продуктов образуются электричество и вода. Двуокись углерода также может быть побочным продуктом в зависимости от топлива, но выбросы углерода от системы SOFC меньше, чем от установки сжигания ископаемого топлива. ^[44]Химические реакции для системы ТОТЭ можно выразить следующим образом: ^[45]

Анодная реакция : 2H ₂ + 2O ²⁻ → 2H ₂ O + 4e ^-

Катодная реакция : O ₂ + 4e ^- → 2O ²⁻

Общая реакция клетки : 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Системы ТОТЭ могут работать не на чистом газообразном водороде, а на других видах топлива. Однако, поскольку водород необходим для перечисленных выше реакций, выбранное топливо должно содержать атомы водорода. Чтобы топливный элемент работал, топливо должно быть преобразовано в чистый газообразный водород. ТОТЭ способны к внутреннему риформингу легких углеводородов, таких как метан (природный газ), ^[46] пропан и бутан. ^[47] Эти топливные элементы находятся на ранней стадии разработки. ^[48]

В системах ТОТЭ существуют проблемы из-за их высоких рабочих температур. Одной из таких проблем является возможность скопления углеродной пыли на аноде, что замедляет процесс внутреннего риформинга. Исследования, направленные на решение этой проблемы «углеродного коксования» в Университете Пенсильвании, показали, что использование металлокерамики на основе меди (жаропрочных материалов из керамики и металла) может снизить коксование и снижение производительности. ^[49]Другой недостаток систем SOFC - медленное время запуска, что делает SOFC менее полезными для мобильных приложений. Несмотря на эти недостатки, высокая рабочая температура дает преимущество, поскольку устраняет необходимость в катализаторе из драгоценного металла, таком как платина, тем самым снижая стоимость. Кроме того, отходящее тепло систем ТОТЭ можно улавливать и повторно использовать, увеличивая теоретический общий КПД до 80–85%. ^[5]

Высокая рабочая температура во многом обусловлена ​​физическими свойствами электролита YSZ. С понижением температуры уменьшается ионная проводимость YSZ. Следовательно, для получения оптимальной производительности топливного элемента требуется высокая рабочая температура. Согласно их веб-сайту, Ceres Power , британский производитель топливных элементов SOFC, разработал метод снижения рабочей температуры своей системы SOFC до 500–600 градусов Цельсия. Они заменили обычно используемый электролит YSZ на электролит CGO (оксид церия-гадолиния). Более низкая рабочая температура позволяет им использовать нержавеющую сталь вместо керамики в качестве подложки ячейки, что снижает стоимость и время запуска системы. ^[50]

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC) [ править ]

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) требуют высокой рабочей температуры, 650 ° C (1200 ° F), как и SOFCs . В MCFC в качестве электролита используется соль карбоната лития-калия, и эта соль сжижается при высоких температурах, что позволяет перемещать заряд внутри элемента - в данном случае отрицательные ионы карбоната. ^[51]

Как и SOFC, MCFC могут преобразовывать ископаемое топливо в газ, богатый водородом, на аноде, устраняя необходимость в производстве водорода извне. В процессе реформирования образуется CO
2выбросы. Топливо, совместимое с MCFC, включает природный газ, биогаз и газ, полученный из угля. Водород в газе реагирует с карбонат-ионами электролита с образованием воды, углекислого газа, электронов и небольших количеств других химических веществ. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электричество, и возвращаются на катод. Здесь кислород из воздуха и углекислый газ, рециркулирующий с анода, вступают в реакцию с электронами с образованием карбонат-ионов, которые пополняют электролит, замыкая цепь. ^[51] Химические реакции для системы MCFC можно выразить следующим образом: ^[52]

Анодная реакция : CO ₃ ^2- + H ₂ → H ₂ O + CO ₂ + 2e ^-

Катодная реакция : CO ₂ + ½O ₂ + 2e ^- → CO ₃ ²⁻

Общая клеточная реакция : H ₂ + ½O ₂ → H ₂ O

Как и в случае с ТОТЭ, к недостаткам MCFC относятся медленное время запуска из-за их высокой рабочей температуры. Это делает системы MCFC непригодными для мобильных приложений, и эта технология, скорее всего, будет использоваться для целей стационарных топливных элементов. Основная проблема технологии MCFC - короткая продолжительность жизни клеток. Высокотемпературный и карбонатный электролит приводят к коррозии анода и катода. Эти факторы ускоряют деградацию компонентов MCFC, снижая долговечность и срок службы элементов. Исследователи решают эту проблему, исследуя коррозионно-стойкие материалы для компонентов, а также конструкции топливных элементов, которые могут увеличить срок службы элементов без снижения производительности. ^[5]

MCFC обладают рядом преимуществ по сравнению с другими технологиями топливных элементов, включая их устойчивость к примесям. Они не склонны к «углеродному коксованию», которое относится к накоплению углерода на аноде, что приводит к снижению производительности из-за замедления процесса внутреннего риформинга топлива . Таким образом, с системой совместимы виды топлива с высоким содержанием углерода, например газы из угля. Министерство энергетики США утверждает, что уголь сам по себе может даже стать топливом в будущем, если предположить, что систему можно будет сделать устойчивой к примесям, таким как сера и твердые частицы, которые образуются в результате преобразования угля в водород. ^[5]MCFC также обладают относительно высокой эффективностью. Они могут достичь эффективности преобразования топлива в электроэнергию на уровне 50%, что значительно выше, чем КПД 37–42% установки топливных элементов на основе фосфорной кислоты. КПД может достигать 65%, когда топливный элемент соединен с турбиной, и 85%, если тепло улавливается и используется в системе комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ). ^[51]

FuelCell Energy, производитель топливных элементов из Коннектикута, разрабатывает и продает топливные элементы MCFC. Компания заявляет, что их продукция MCFC варьируется от 300 кВт до 2,8 МВт, которые достигают 47% электрического КПД и могут использовать технологию когенерации для получения более высокого общего КПД. Один продукт, DFC-ERG, сочетается с газовой турбиной и, по заявлению компании, обеспечивает электрический КПД 65%. ^[53]

Топливный элемент для хранения электроэнергии [ править ]

Топливный элемент для хранения электроэнергии представляет собой обычную батарею, заряжаемую за счет подачи электроэнергии с использованием обычного электрохимического эффекта. Однако батарея дополнительно включает вводы водорода (и кислорода) для альтернативной химической зарядки батареи. ^[54]

Сравнение типов топливных элементов [ править ]

Словарь терминов в таблице:

Анод

Электрод, на котором происходит окисление (потеря электронов). Для топливных элементов и других гальванических элементов анод является отрицательной клеммой; для электролитических ячеек (где происходит электролиз) анод является положительной клеммой. ^[58]

Водный раствор ^[59]

Относящиеся к воде или похожие на них

Сделано из, с водой или с помощью воды.

Катализатор

Химическое вещество, которое увеличивает скорость реакции, но не потребляется; после реакции он потенциально может быть извлечен из реакционной смеси и химически не изменяется. Катализатор снижает требуемую энергию активации, позволяя реакции протекать быстрее или при более низкой температуре. В топливном элементе катализатор способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он сделан из платинового порошка, очень тонкого нанесенного на копировальную бумагу или ткань. Катализатор шероховатый и пористый, поэтому максимальная площадь поверхности платины может подвергаться воздействию водорода или кислорода. Покрытая платиной сторона катализатора обращена к мембране топливного элемента. ^[58]

Катод

Электрод, на котором происходит восстановление (усиление электронов). Для топливных элементов и других гальванических элементов катод является положительным выводом; для электролитических ячеек (где происходит электролиз) катод является отрицательной клеммой. ^[58]

Электролит

Вещество, которое проводит заряженные ионы от одного электрода к другому в топливном элементе, батарее или электролизере. ^[58]

Стек топливных элементов

Отдельные топливные элементы соединены последовательно. Топливные элементы сложены друг над другом для увеличения напряжения. ^[58]

Матрица

что-то внутри или из чего что-то еще возникает, развивается или принимает форму. ^[60]

Мембрана

Разделительный слой в топливном элементе, который действует как электролит (ионообменник), а также барьерная пленка, разделяющая газы в анодном и катодном отсеках топливного элемента. ^[58]

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC)

Тип топливного элемента, который содержит расплавленный карбонатный электролит. Карбонат-ионы (CO ₃ ^2- ) переносятся от катода к аноду. Рабочие температуры обычно составляют около 650 ° C. ^[58]

Топливный элемент на основе фосфорной кислоты (PAFC)

Тип топливного элемента, в котором электролит состоит из концентрированной фосфорной кислоты (H ₃ PO ₄ ). Протоны (H +) переносятся от анода к катоду. Диапазон рабочих температур обычно составляет 160–220 ° C. ^[58]

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM)

Топливный элемент, содержащий твердую полимерную мембрану, используемый в качестве электролита. Протоны (H +) переносятся от анода к катоду. Диапазон рабочих температур обычно составляет 60–100 ° C. ^[58]

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

Тип топливного элемента, в котором электролит представляет собой твердый непористый оксид металла, обычно оксид циркония (ZrO ₂ ), обработанный Y ₂ O ₃ , и O ^2- транспортируется от катода к аноду. Любой CO в газе риформинга окисляется до CO ₂ на аноде. Рабочие температуры обычно составляют 800–1000 ° C. ^[58]

Решение ^[61]

Действие или процесс, посредством которого твердое, жидкое или газообразное вещество гомогенно смешивается с жидкостью, а иногда и с газом или твердым телом.

Гомогенная смесь, образованная в результате этого процесса; особенно: однофазная жидкая система.

Состояние растворения.

Эффективность ведущих типов топливных элементов [ править ]

Теоретическая максимальная эффективность [ править ]

Энергоэффективность системы или устройства, которое преобразует энергию, измеряется отношением количества полезной энергии, выделяемой системой («выходная энергия»), к общему количеству вложенной энергии («входная энергия») или полезной выходной энергией в процентах от общей потребляемой энергии. В случае топливных элементов полезная выходная энергия измеряется в электроэнергии, производимой системой. Входная энергия - это энергия, запасенная в топливе. По данным Министерства энергетики США, топливные элементы обычно энергоэффективны от 40 до 60%. ^[62] Это выше, чем у некоторых других систем для выработки энергии. Например, типичный двигатель внутреннего сгорания автомобиля энергоэффективен примерно на 25%. ^[63]В системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) тепло, производимое топливным элементом, улавливается и используется, повышая эффективность системы до 85–90%. ^[5]

Теоретический максимальный КПД любого типа системы производства электроэнергии никогда не достигается на практике, и при этом не учитываются другие этапы производства электроэнергии, такие как производство, транспортировка и хранение топлива и преобразование электроэнергии в механическую энергию. Однако этот расчет позволяет сравнивать различные типы выработки электроэнергии. Максимальный теоретический энергетический КПД топливного элемента составляет 83%, при работе с низкой удельной мощностью и использовании чистого водорода и кислорода в качестве реагентов (при условии отсутствия повторного улавливания тепла) ^[64] По данным Всемирного энергетического совета, это сопоставимо с максимальной теоретической эффективностью 58% для двигателей внутреннего сгорания. ^[64]

На практике [ править ]

В транспортном средстве на топливных элементах коэффициент полезного действия между баком и колесом превышает 45% при низких нагрузках ^[65] и показывает средние значения около 36%, когда в качестве процедуры испытаний используется такой цикл движения, как NEDC ( новый европейский цикл вождения ). . ^[66] Сопоставимое значение NEDC для автомобиля с дизельным двигателем составляет 22%. В 2008 году Honda выпустила демонстрационный электромобиль на топливных элементах ( Honda FCX Clarity ) с топливным баком, обеспечивающим 60% -ную эффективность использования топливных элементов . ^[67]

Также важно учитывать потери при производстве, транспортировке и хранении топлива. Транспортные средства на топливных элементах, работающие на сжатом водороде, могут иметь КПД от силовой установки до колеса 22%, если водород хранится в виде газа высокого давления, и 17%, если он хранится в виде жидкого водорода . ^[68] Топливные элементы не могут хранить энергию, как батареи ^[69], за исключением водорода, но в некоторых приложениях, таких как автономные электростанции, использующие прерывистые источники, такие как солнечная или ветровая энергия , они сочетаются с электролизерами.и системы хранения для формирования системы хранения энергии. По состоянию на 2019 год 90% водорода использовалось для нефтепереработки, производства химикатов и удобрений, а 98% водорода производилось путем парового риформинга метана , который выделяет диоксид углерода. ^[70] Общий КПД (преобразование электричества в водород и обратно в электричество) таких станций (известный как КПД туда и обратно ), использующих чистый водород и чистый кислород, может составлять «от 35 до 50 процентов», в зависимости от плотности газа и других факторов. условия. ^[71] Система электролизер / топливный элемент может хранить неопределенное количество водорода и поэтому подходит для длительного хранения.

Твердооксидные топливные элементы выделяют тепло в результате рекомбинации кислорода и водорода. Керамика может нагреться до 800 градусов по Цельсию. Это тепло можно улавливать и использовать для нагрева воды в системе микрокомбинированного производства тепла и электроэнергии (m-CHP). Когда тепло улавливается, общий КПД агрегата может достигать 80–90%, но без учета производственных и распределительных потерь. Сегодня когенерационные установки разрабатываются для внутреннего рынка Европы.

Профессор Джереми П. Мейерс, в журнале " Интерфейс" журнала электрохимического общества.в 2008 году писал: «Хотя топливные элементы эффективны по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, они не так эффективны, как батареи, в первую очередь из-за неэффективности реакции восстановления кислорода (и ... реакции выделения кислорода, если водород образуется посредством электролиз воды) .... [T] они наиболее целесообразны для работы без подключения к сети или когда топливо может подаваться непрерывно. Для приложений, требующих частых и относительно быстрых запусков ... где нулевые выбросы являются нормальным явлением. Это требование, как в закрытых помещениях, таких как склады, и где водород считается приемлемым реагентом, [топливный элемент PEM] становится все более привлекательным выбором [если замена батарей неудобна] ». ^[72]В 2013 году военные организации оценивали топливные элементы, чтобы определить, могут ли они значительно снизить вес батареи, которую несут солдаты. ^[73]

Приложения [ править ]

Мощность [ править ]

Стационарные топливные элементы используются для производства первичной и резервной энергии в коммерческих, промышленных и жилых помещениях. Топливные элементы очень полезны в качестве источников энергии в удаленных местах, таких как космические корабли, удаленные метеостанции, большие парки, центры связи, сельские районы, включая исследовательские станции, и в некоторых военных приложениях. Система топливных элементов, работающая на водороде, может быть компактной и легкой и не иметь крупных движущихся частей. Поскольку топливные элементы не имеют движущихся частей и не вызывают горения, в идеальных условиях они могут обеспечить надежность до 99,9999%. ^[74] Это соответствует времени простоя менее одной минуты за шестилетний период. ^[74]

Поскольку системы электролизеров топливных элементов не хранят топливо сами по себе, а полагаются на внешние накопители, они могут успешно применяться в крупномасштабном хранении энергии, например, в сельской местности. ^[75] Существует много различных типов стационарных топливных элементов, поэтому эффективность различается, но большинство из них имеют энергоэффективность от 40% до 60%. ^[5] Однако, когда отработанное тепло топливного элемента используется для обогрева здания в системе когенерации, этот КПД может возрасти до 85%. ^[5] Это значительно более эффективно, чем традиционные угольные электростанции, энергоэффективность которых составляет лишь около одной трети. ^[76] Предполагая масштабное производство, топливные элементы могут сэкономить 20-40% затрат на электроэнергию при использовании в системах когенерации. ^[77]Топливные элементы также намного чище, чем традиционные источники энергии; электростанция на топливных элементах, использующая природный газ в качестве источника водорода, создаст менее одной унции загрязнения (кроме CO
2) на каждую произведенную 1000 кВт · ч по сравнению с 25 фунтами загрязняющих веществ, выделяемых обычными системами сжигания. ^[78] Топливные элементы также производят на 97% меньше выбросов оксидов азота, чем традиционные угольные электростанции.

Одна из таких пилотных программ действует на острове Стюарт в штате Вашингтон. Энергетическая инициатива острова Стюарт ^[79] построила там полную систему с замкнутым контуром: солнечные панели питают электролизер, производящий водород. Водород хранится в резервуаре на 500 галлонов США (1900 л) при плотности 200 фунтов на квадратный дюйм (1400 кПа), и в нем работает топливный элемент ReliOn, обеспечивающий полную электрическую резервную копию дома, находящегося вне сети. Еще один цикл замкнутой системы был открыт в конце 2011 года в Хемпстеде, штат Нью-Йорк. ^[80]

Топливные элементы могут использоваться с низкокачественным газом со свалок или очистных сооружений для выработки электроэнергии и снижения выбросов метана . Завод топливных элементов мощностью 2,8 МВт в Калифорнии считается крупнейшим в своем роде. ^[81] Маломасштабные (менее 5 кВт / ч) топливные элементы разрабатываются для использования в автономных жилых домах. ^[82]

Когенерация [ править ]

Комбинированные системы тепловых и электрических топливных элементов (ТЭЦ), включая микрокомбинированные системы тепла и электроэнергии (MicroCHP), используются для выработки как электроэнергии, так и тепла для домов (см. Домашние топливные элементы ), офисных зданий и заводов. Система вырабатывает постоянную электроэнергию (продавая избыточную мощность обратно в сеть, когда она не потребляется), и в то же время производит горячий воздух и воду из отработанного тепла . В результате системы ТЭЦ обладают потенциалом для экономии первичной энергии, поскольку они могут использовать отходящее тепло, которое, как правило, отклоняется системами преобразования тепловой энергии. ^[83] Типичный диапазон мощности домашнего топливного элемента составляет 1–3 кВт _эл. , 4–8 кВт _тепл . ^[84][85] Системы когенерации, связанные с абсорбционными чиллерами, используют отработанное тепло для охлаждения . ^[86]

Отработанное тепло от топливных элементов можно отводить летом прямо в землю, обеспечивая дополнительное охлаждение, в то время как отработанное тепло зимой можно перекачивать непосредственно в здание. Университет Миннесоты владеет патентными правами на этот тип системы ^{[87] [88]}

Системы когенерации могут достигать КПД 85% (40–60% - электрические, а остальное - тепловое). ^[5] Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) составляют самый большой сегмент существующих продуктов когенерации во всем мире и могут обеспечить совокупный КПД, близкий к 90%. ^{[89] [90]} Расплавленные карбонатные (MCFC) и твердооксидные топливные элементы (SOFC) также используются для комбинированного производства тепла и электроэнергии и имеют КПД по электроэнергии около 60%. ^[91] К недостаткам когенерационных систем относятся медленные темпы нарастания и спада, высокая стоимость и короткий срок службы. ^{[92] [93]}Кроме того, их необходимость иметь резервуар для хранения горячей воды для сглаживания выработки теплового тепла была серьезным недостатком на внутреннем рынке, где пространство в жилых домах имеет большое значение. ^[94]

В 2013 году консультанты Delta-ee заявили, что с 64% мировых продаж микрокомбинированные тепловые и энергетические системы на топливных элементах превзошли традиционные системы в продажах в 2012 году. ^[73] Японский проект ENE FARM пройдет 100 000 систем м ТЭЦ с FC в 2014 году, 34,213 PEMFC и 2.224 SOFC были установлены в период 2012–2014 гг., 30 000 единиц на СПГ и 6 000 единиц на СНГ . ^[95]

Электромобили на топливных элементах (FCEV) [ править ]

Автомобили [ править ]

К концу 2019 года по всему миру было сдано или продано около 18000 автомобилей FCEV. ^[96] Три электромобиля на топливных элементах были представлены для коммерческой аренды и продажи: Honda Clarity , Toyota Mirai и Hyundai ix35 FCEV . Дополнительные демонстрационные модели включают Honda FCX Clarity и Mercedes-Benz F-Cell . ^[97] По состоянию на июнь 2011 года демонстрационные автомобили FCEV проехали более 4 800 000 км (3 000 000 миль), совершив более 27 000 дозаправок. ^[98] Электромобили на топливных элементах имеют средний запас хода в 314 миль между дозаправками. ^[99] Их можно заправить менее чем за 5 минут.^[100] Программа технологий топливных элементов Министерства энергетики США утверждает, что по состоянию на 2011 год топливные элементы достигли КПД 53–59% при мощности в одну четверть и КПД автомобиля 42–53% при полной мощности ^[101], а также долговечности более 120 000 км (75 000 миль) с менее чем 10% износом. ^[102] В анализе моделирования Well-to-Wheels, проведенном в 2017 году, который «не учитывал экономические и рыночные ограничения», General Motors и его партнеры подсчитали, что на каждую пройденную милю электромобиль на топливных элементах работает на сжатом газообразном водороде, полученном из природного газа. может потреблять примерно на 40% меньше энергии и выделять на 45% меньше парниковых газов, чем автомобиль внутреннего сгорания. ^[103]

В 2015 году Toyota представила свой первый автомобиль на топливных элементах Mirai по цене 57 000 долларов. ^[104] Hyundai представила ограниченную серию Hyundai ix35 FCEV по договору аренды. ^[105] В 2016 году Honda начала сдавать в аренду топливный элемент Honda Clarity. ^[106] В 2020 году Toyota представила второе поколение своего бренда Mirai, улучшив топливную экономичность и расширив ассортимент по сравнению с оригинальной моделью Sedan 2014 года. ^[107]

Критика [ править ]

Некоторые комментаторы полагают, что автомобили на водородных топливных элементах никогда не станут экономически конкурентоспособными с другими технологиями ^{[108] [109] [110]} или что им потребуются десятилетия, чтобы они стали прибыльными. ^{[72] [111]} Илон Маск, генеральный директор производителя электромобилей Tesla Motors , заявил в 2015 году, что топливные элементы для использования в автомобилях никогда не будут коммерчески жизнеспособными из-за неэффективности производства, транспортировки и хранения водорода и воспламеняемости газ, среди других причин. ^[112]

В 2012 году Lux Research, Inc. опубликовала отчет, в котором говорилось: «Мечта о водородной экономике ... не ближе». Он пришел к выводу, что «капитальные затраты ... ограничат внедрение всего лишь 5,9 ГВт» к 2030 году, создав «почти непреодолимый барьер для внедрения, за исключением нишевых приложений». Анализ пришел к выводу, что к 2030 году рынок стационарных автомобилей PEM достигнет 1 миллиарда долларов, а рынок транспортных средств, включая вилочные погрузчики, достигнет в общей сложности 2 миллиардов долларов. ^[111] Другие анализы указывают на отсутствие разветвленной водородной инфраструктуры в США как на постоянную проблему коммерциализации электромобилей на топливных элементах. ^[65]

В 2014 году Джозеф Ромм , автор книги «Шумиха о водороде» (2005), сказал, что FCV все еще не преодолели высокую стоимость топлива, отсутствие инфраструктуры для доставки топлива и загрязнение, вызванное производством водорода. «Для одновременного преодоления всех этих проблем в ближайшие десятилетия потребуется несколько чудес». ^[113] Он пришел к выводу, что возобновляемая энергия не может быть экономически использована для производства водорода для флота FCV «ни сейчас, ни в будущем». ^[108] Аналитик Greentech Media пришел к аналогичным выводам в 2014 году. ^[114] В 2015 году Clean Technica перечислила некоторые недостатки автомобилей на водородных топливных элементах. ^[115] Автомобиль Throttle тоже.. ^[116]

В видеоролике Real Engineering 2019 года отмечалось, что, несмотря на появление автомобилей, работающих на водороде, использование водорода в качестве топлива для автомобилей не помогает снизить выбросы углерода от транспорта. 95% водорода, все еще производимого из ископаемого топлива, выделяет углекислый газ, а производство водорода из воды является энергоемким процессом. Для хранения водорода требуется больше энергии, чтобы охладить его до жидкого состояния или поместить в резервуары под высоким давлением, а доставка водорода на заправочные станции требует больше энергии и может выделять больше углерода. Водород, необходимый для перемещения FCV на километр, стоит примерно в 8 раз больше, чем электричество, необходимое для перемещения BEV на такое же расстояние. ^[117]Оценка 2020 года пришла к выводу, что водородные автомобили по-прежнему имеют КПД только 38%, а электромобили с аккумулятором - 80%. ^[118]

Автобусы [ править ]

По состоянию на август 2011 ^[update]года в мире насчитывалось около 100 автобусов на топливных элементах . ^[119] Большинство из них было произведено UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics и Proton Motor. К 2011 году автобусы UTC преодолели более 970 000 км (600 000 миль). ^[120] Автобусы на топливных элементах имеют на 39–141% более высокую экономию топлива, чем автобусы с дизельным двигателем и автобусы, работающие на природном газе. ^{[103] [121]}

По состоянию на 2019 год NREL проводил оценку нескольких текущих и планируемых проектов автобусов на топливных элементах в США ^[122]

Вилочные погрузчики [ править ]

Топливный элемент вилочного погрузчик (также называемый штабелера топливного элемента) представляет собой топливный элемент с питанием от промышленного грузовик погрузчика используется для подъема и транспортировки материалов. В 2013 году в США для погрузочно-разгрузочных работ использовалось более 4000 вилочных погрузчиков на топливных элементах , ^[123] из которых 500 получили финансирование от Министерства энергетики (2012). ^{[124] [125]} Парком топливных элементов управляют различные компании, включая Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (в Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark и Whole Foods) и HEB Grocers. ^[126] Европа продемонстрировала 30 вилочных погрузчиков на топливных элементах с Hylift и расширила его с помощью HyLIFT-EUROPE до 200 единиц, ^[127] с другими проектами во Франции.^{[128] [129]} и Австрия . ^[130] В 2011 году компания Pike Research прогнозировала, что вилочные погрузчики на топливных элементах станут крупнейшим драйвером спроса на водородное топливо к 2020 году. ^[131]

Большинство компаний в Европе и США не используют вилочные погрузчики с бензиновым двигателем, поскольку эти автомобили работают в помещениях, где необходимо контролировать выбросы, и вместо этого используют вилочные электрические погрузчики. ^{[132] [133]} Вилочные погрузчики, работающие на топливных элементах, имеют преимущества по сравнению с вилочными погрузчиками с батарейным питанием, поскольку их можно заправить за 3 минуты и их можно использовать в холодильных складах, где их производительность не ухудшается из-за низких температур. Блоки FC часто проектируются как заменяемые. ^{[134] [135]}

Мотоциклы и велосипеды [ править ]

В 2005 году британский производитель водородных топливных элементов Intelligent Energy (IE) выпустил первый рабочий мотоцикл с водородным двигателем под названием ENV (Emission Neutral Vehicle). У мотоцикла достаточно топлива, чтобы проработать четыре часа и проехать 160 км (100 миль) по городу с максимальной скоростью 80 км / ч (50 миль в час). ^[136] В 2004 году компания Honda разработала мотоцикл на топливных элементах, в котором использовался стек Honda FC. ^{[137] [138]}

Другие примеры мотоциклов ^[139] и велосипедов ^[140] , в которых используются водородные топливные элементы, включают скутер тайваньской компании APFCT ^[141], использующий топливную систему итальянской компании Acta SpA ^[142], и скутер Suzuki Burgman с топливным элементом IE, который получил ЕС. Полное одобрение типа транспортного средства в 2011 году. ^[143] Suzuki Motor Corp. и IE объявили о создании совместного предприятия для ускорения коммерциализации автомобилей с нулевым уровнем выбросов. ^[144]

Самолеты [ править ]

В 2003 году был запущен первый в мире винтовой самолет, полностью работающий на топливных элементах. Топливный элемент представлял собой конструкцию батареи, которая позволяла интегрировать топливный элемент с аэродинамическими поверхностями самолета. ^[145] Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) на топливных элементах включают БПЛА Horizon на топливных элементах, который установил рекордное расстояние полета для небольшого БПЛА в 2007 году. ^[146] Исследователи Boeing и партнеры по отрасли по всей Европе провели экспериментальные летные испытания в феврале 2008 года. пилотируемый самолет, работающий только на топливных элементах и ​​легких аккумуляторах. Самолет-демонстратор топливных элементов, как его называли, использовал топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM) / литий-ионный аккумулятор.гибридная система для питания электродвигателя, который был соединен с обычным воздушным винтом. ^[147]

В 2009 году Ion Tiger из морской исследовательской лаборатории (NRL) использовал водородный топливный элемент и пролетел 23 часа 17 минут. ^[148] Топливные элементы также проходят испытания и рассматриваются для обеспечения вспомогательной энергии в самолетах, заменяя генераторы на ископаемом топливе , которые ранее использовались для запуска двигателей и питания бортовых электрических нужд, при одновременном снижении выбросов углерода. ^{[149] [150] [ неудавшаяся проверка ]} В 2016 году беспилотник Raptor E1 совершил успешный испытательный полет с топливным элементом, который был легче литий-ионной батареи.он заменил. Полет длился 10 минут на высоте 80 метров (260 футов), хотя в топливном элементе, как сообщается, было достаточно топлива для полета в течение двух часов. Топливо содержалось примерно в 100 твердых гранулах размером 1 квадратный сантиметр (0,16 квадратных дюйма), состоящих из запатентованного химического вещества, внутри негерметичного картриджа. Гранулы обладают физической прочностью и работают при температуре до 50 ° C (122 ° F). Ячейка была от Arcola Energy. ^[151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker - это электрический БЛА, работающий на твердооксидном топливном элементе. ^[152]

Лодки [ править ]

Первая в мире лодка на топливных элементах HYDRA использовала систему AFC с полезной мощностью 6,5 кВт. Амстердам представил лодки на топливных элементах, которые перевозят людей по каналам города. ^[153]

Подводные лодки [ править ]

В Тип 212 подводных лодок немецкого и итальянского флотов использовать топливные элементы , чтобы оставаться под водой в течение нескольких недель без необходимости поверхность.

U212A - неатомная подводная лодка, разработанная немецкой военно-морской верфью Howaldtswerke Deutsche Werft. ^[154] Система состоит из девяти топливных элементов с ПЭМ мощностью от 30 до 50 кВт каждый. Корабль молчит, что дает ему преимущество при обнаружении других подводных лодок. ^[155] В морской статье высказывалась теория о возможности гибридного ядерного топливного элемента, при котором топливный элемент используется, когда требуются бесшумные операции, а затем пополняется из ядерного реактора (и воды). ^[156]

Переносные энергосистемы [ править ]

Переносные системы топливных элементов обычно классифицируются как системы с массой менее 10 кг и мощностью менее 5 кВт. ^[157] Потенциальный размер рынка для топливных элементов меньшего размера довольно велик с потенциальными темпами роста до 40% в год и размером рынка около 10 миллиардов долларов, что приводит к тому, что большое количество исследований будет посвящено разработке портативных силовых элементов. . ^[158] Внутри этого рынка были выделены две группы. Первый - это рынок микротопливных элементов в диапазоне от 1 до 50 Вт для небольших электронных устройств. Второй - это генераторы мощностью 1-5 кВт для более крупномасштабного производства электроэнергии (например, военные заставы, удаленные нефтяные месторождения).

Микротопливные элементы в первую очередь нацелены на проникновение на рынок телефонов и ноутбуков. Это можно в первую очередь отнести к более выгодной плотности энергии, обеспечиваемой топливными элементами по сравнению с литий-ионной батареей для всей системы. Что касается аккумулятора, эта система включает в себя зарядное устройство, а также сам аккумулятор. Что касается топливного элемента, эта система будет включать элемент, необходимое топливо и периферийные приспособления. Принимая во внимание всю систему, было показано, что топливные элементы обеспечивают 530 Втч / кг по сравнению с 44 Втч / кг для литий-ионных батарей. ^[158]Однако, хотя вес систем топливных элементов дает явное преимущество, текущие затраты не в их пользу. в то время как аккумуляторная система обычно стоит около 1,20 доллара США за Вт · ч, системы топливных элементов стоят около 5 долларов США за Вт · ч, что ставит их в невыгодное положение. ^[158]

По мере увеличения потребности в электроэнергии для сотовых телефонов топливные элементы могут стать гораздо более привлекательными вариантами для более крупного производства электроэнергии. Потребители часто требуют более продолжительного использования телефонов и компьютеров, поэтому топливные элементы могут начать продвигаться на рынках портативных компьютеров и сотовых телефонов. Цена продолжит снижаться, поскольку развитие топливных элементов продолжает ускоряться. Современные стратегии улучшения микротопливных элементов основаны на использовании углеродных нанотрубок . Это было показано Гиришкумаром и соавт. что нанесение нанотрубок на поверхности электродов позволяет значительно увеличить площадь поверхности, увеличивая скорость восстановления кислорода. ^[159]

Топливные элементы для использования в крупномасштабных операциях также очень перспективны. Переносные энергетические системы, в которых используются топливные элементы, могут использоваться в секторе отдыха (например, жилые дома, каюты, морские суда), в промышленном секторе (например, в энергетике для удаленных мест, включая газовые / нефтяные скважины, вышки связи, службы безопасности, метеостанции) и в военный сектор. SFC Energy - немецкий производитель топливных элементов на метаноле прямого действия для различных портативных энергетических систем. ^[160] Ensol Systems Inc. является интегратором портативных энергосистем, использующих SFC Energy DMFC. ^[161]Ключевым преимуществом топливных элементов на этом рынке является высокая выработка электроэнергии на единицу веса. Хотя топливные элементы могут быть дорогими, для удаленных мест, где требуется надежная энергия, топливные элементы обладают большой мощностью. Для 72-часовой экскурсии сравнение по весу существенно: топливный элемент весит всего 15 фунтов по сравнению с 29 фунтами батарей, необходимых для такой же энергии. ^[157]

Другие приложения [ править ]

• Обеспечение питания базовых станций или сотовых станций ^{[162] [163]}
• Распределенная генерация
• Системы аварийного питания - это тип системы топливных элементов, который может включать в себя освещение, генераторы и другое оборудование, чтобы обеспечить резервные ресурсы в случае кризиса или при выходе из строя обычных систем. Они находят применение в самых разных условиях - от жилых домов до больниц, научных лабораторий, центров обработки данных , ^[164]
• телекоммуникационное ^[165] оборудование и современные военно-морские корабли.
• Источник бесперебойного питания ( ИБП ) обеспечивает аварийное питание и, в зависимости от топологии, обеспечивает регулировку линии, а также подключенного оборудования, подавая питание от отдельного источника, когда электроснабжение от электросети недоступно. В отличие от резервного генератора, он может обеспечить мгновенную защиту от кратковременного отключения электроэнергии.
• Электростанции базовой нагрузки
• Солнечный водородный топливный элемент для нагрева воды
• Гибридные автомобили , в которых топливный элемент сочетается либо с ДВС, либо с аккумулятором.
• Ноутбуки для приложений, в которых зарядка от сети переменного тока может быть недоступна.
• Портативные зарядные устройства для небольшой электроники (например, зажим для ремня для зарядки мобильного телефона или КПК ).
• Смартфоны , ноутбуки и планшеты.
• Мелкие отопительные приборы ^[166]
• Сохранение пищевых продуктов за счет выпуска кислорода и автоматического поддержания кислородного истощения в транспортном контейнере, содержащем, например, свежую рыбу. ^[167]
• Алкотестеры , в которых величина напряжения, генерируемого топливным элементом, используется для определения концентрации топлива (спирта) в образце. ^[168]
• Детектор угарного газа , электрохимический датчик.

Автозаправочные станции [ править ]

По данным отраслевой группы FuelCellsWorks, по состоянию на конец 2019 года 330 водородных заправочных станций были открыты для общественности по всему миру. ^[169] По состоянию на июнь 2020 года в Азии действовало 178 общедоступных водородных станций. ^[170] 114 из них были в Японии. ^[171] В Европе было по крайней мере 177 станций, и около половины из них находились в Германии. ^{[172] [173]} В США было 44 общедоступных станции, 42 из которых находились в Калифорнии. ^[174]

Строительство водородной заправочной станции стоит от 1 до 4 миллионов долларов. ^[175]

Рынки и экономика [ править ]

В 2012 году выручка отрасли топливных элементов превысила рыночную стоимость в 1 миллиард долларов во всем мире, при этом азиатско-тихоокеанские страны поставляют более 3/4 систем топливных элементов по всему миру. ^[176] Однако по состоянию на январь 2014 года ни одна публичная компания в отрасли еще не стала прибыльной. ^[177] В 2010 году по всему миру было отгружено 140 000 блоков топливных элементов, по сравнению с 11 000 в 2007 году, а с 2011 по 2012 год поставки топливных элементов по всему миру росли на 85% в год. ^[178] Танака Кикиндзоку расширила свои производственные мощности в 2011 году. ^[179]Примерно 50% поставок топливных элементов в 2010 году приходилось на стационарные топливные элементы, по сравнению с примерно третью в 2009 году, а четырьмя доминирующими производителями в отрасли топливных элементов были США, Германия, Япония и Южная Корея. ^[180] Альянс по преобразованию энергии в твердые тела при Министерстве энергетики установил, что по состоянию на январь 2011 года стационарные топливные элементы вырабатывали электроэнергию по цене от 724 до 775 долларов за установленный киловатт. ^[181] В 2011 году Bloom Energy, крупный поставщик топливных элементов, заявила, что ее топливные элементы вырабатывают электроэнергию по цене 9–11 центов за киловатт-час, включая стоимость топлива, обслуживания и оборудования. ^{[182] [183]}

Промышленные группы предсказывают , что существует достаточные ресурсы для платины спроса в будущем, ^[184] и в 2007 году, исследование в Brookhaven National Laboratory предположило , что платина может быть заменена на золотодобывающем палладиевое покрытие, которое может быть менее чувствительны к отравлению и тем самым улучшить топливный элемент продолжительность жизни. ^[185] Другой метод использовал бы железо и серу вместо платины. Это снизит стоимость топливного элемента (поскольку платина в обычном топливном элементе стоит около 1500 долларов США , а такое же количество железа стоит всего около 1,50 доллара США ). Концепция разрабатывалась коалицией Центра Джона Иннеса и Университета Милана-Бикокка .^[186] Катоды PEDOT невосприимчивы к отравлению монооксидом. ^[187]

В 2016 году Samsung «решила отказаться от бизнес-проектов, связанных с топливными элементами, поскольку перспективы рынка неутешительны». ^[188]

Исследования и разработки [ править ]

• 2005: Исследователи Технологического института Джорджии использовали триазол для повышения рабочей температуры топливных элементов PEM с ниже 100 ° C до более 125 ° C, заявив, что это потребует меньшей очистки водородного топлива от моноксида углерода. ^[189]
• 2008: Университет Монаша , Мельбурн, использовал PEDOT в качестве катода . ^[32]
• 2009: Исследователи из Дейтонского университета , штат Огайо, показали, что массивы вертикально выращенных углеродных нанотрубок можно использовать в качестве катализатора в топливных элементах. ^[190] В том же году был продемонстрирован катализатор на основе бисдифосфина никеля для топливных элементов. ^[191]
• 2013: Британская компания ACAL Energy разработала топливный элемент, который, по ее словам, может работать в течение 10 000 часов в смоделированных условиях вождения. ^[192] Он утверждал, что стоимость строительства топливных элементов может быть снижена до 40 долларов за кВт (примерно 9000 долларов за 300 л.с.). ^[193]
• 2014: Исследователи из Имперского колледжа Лондона разработали новый метод регенерации PEFC, загрязненных сероводородом. ^[194] Они восстановили 95–100% исходной производительности PEFC, загрязненного сероводородом. Им также удалось восстановить PEFC, загрязненный SO ₂ . ^[195] Этот метод регенерации применим к нескольким пакетам ячеек. ^[196]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Vielstich, W .; и др., ред. (2009). Справочник по топливным элементам: достижения в области электрокатализа, материалы, диагностика и долговечность . Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
• Грегор Хугерс (2003). Технология топливных элементов - Справочник . CRC Press.
• Джеймс Лармини; Эндрю Дикс (2003). Объяснение систем топливных элементов (второе изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
• Субаш К. Сингхал; Кевин Кендалл (2003). Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы - основы, конструкция и применение . Elsevier Academic Press.
• Франо Барбир (2005). Топливные элементы PEM - теория и практика . Elsevier Academic Press.
• EG&G Technical Services, Inc. (2004 г.). Справочник по технологии топливных элементов, 7-е издание . Министерство энергетики США.
• Мэтью М. Менч (2008). Двигатели на топливных элементах . Хобокен: John Wiley & Sons, Inc.
• Норико Хикосака Белинг (2012). Топливные элементы: текущие технологические проблемы и будущие потребности в исследованиях (Первое изд.). Elsevier Academic Press.

Внешние ссылки [ править ]

• Анимация, как работает топливный элемент и его применение
• Истоки топливных элементов: 1840–1890 гг.
• EERE: Программа по водороду, топливным элементам и инфраструктурным технологиям
• Термодинамика электролиза воды и водородных топливных элементов
• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Топливные элементы»
• Солнечный водородный топливный элемент для нагрева воды
• Технология топливных элементов - один для будущего