Топливный элемент

Чтобы узнать о других значениях, см. Топливный элемент (значения) .

Демонстрационная модель метанольного топливного элемента прямого действия (черный многослойный куб) в корпусе

Схема протонпроводящего топливного элемента

Топливный элемент — это электрохимический элемент , который преобразует химическую энергию топлива (часто водорода ) и окислителя (часто кислорода). в электричество посредством пары окислительно-восстановительных реакций. Топливные элементы отличаются от большинства батарей тем, что требуют постоянного источника топлива и кислорода (обычно из воздуха) для поддержания химической реакции, тогда как в батарее химическая энергия обычно поступает из веществ, которые уже присутствуют в батарее. Топливные элементы могут производить электроэнергию непрерывно до тех пор, пока подаются топливо и кислород.

Первые топливные элементы были изобретены сэром Уильямом Гроувом в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло почти столетие спустя, после изобретения водородно-кислородного топливного элемента Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1932 году. Щелочной топливный элемент , также известный как Топливный элемент Бэкона, названный в честь 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 приложениях. Топливные элементы используются в качестве основного и резервного источника питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в отдаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах , включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, поезда, 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 заставляет топливо подвергаться реакциям окисления, в результате которых генерируются ионы (часто положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Ионы движутся от анода к катоду через электролит. В то же время электроны перетекают от анода к катоду через внешнюю цепь, производя постоянного тока электричество . На катоде другой катализатор вызывает реакцию ионов, электронов и кислорода, образуя воду и, возможно, другие продукты. Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска: от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (ТЭМ или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). . Родственная технология — проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем перезарядки. Отдельные топливные элементы производят относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «сложены» или размещены последовательно, чтобы создать достаточное напряжение для удовлетворения требований применения. Помимо электроэнергии, топливные элементы производят водяной пар, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшое количество диоксида азота и других выбросов. Элементы PEMFC обычно производят меньше оксидов азота, чем элементы SOFC: они работают при более низких температурах, используют водород в качестве топлива и ограничивают диффузию азота в анод через протонообменную мембрану, которая образует NOx. Энергоэффективность ; топливного элемента обычно составляет от 40 до 60% однако, если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить эффективность до 85%.

История

Количество семейств патентов (сплошные линии) и непатентных публикаций о различных электрохимических источниках энергии по годам. Пурпурной линией также показана цена на нефть с поправкой на инфляцию в долларах США за литр в линейном масштабе.

Основная статья: Хронология водородных технологий

Эскиз топливного элемента сэра Уильяма Гроува 1839 года.

Первые упоминания о водородных топливных элементах появились в 1838 году. В письме, датированном октябрем 1838 года, но опубликованном в декабрьском выпуске 1838 года The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of 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. В письме в то же издание, написанном в декабре 1838 года, но опубликованном в июне 1839 года, немецкий физик Кристиан Фридрих Шенбейн рассказал о первом изобретенном им сыром топливном элементе. В его письме обсуждался ток, вырабатываемый растворенными в воде водородом и кислородом. Позже, в 1842 году, Гроув набросал свой дизайн в том же журнале. В топливном элементе, который он создал, использовались материалы, аналогичные современным топливным элементам на основе фосфорной кислоты .

В 1932 году английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон успешно разработал стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт. НАСА использовало щелочной топливный элемент (AFC), также известный как топливный элемент Бэкона в честь его изобретателя, с середины 1960-х годов.

В 1955 году У. Томас Грабб, химик, работавший в General Electric Company (GE), дополнительно модифицировал первоначальную конструкцию топливного элемента, используя ионообменную мембрану из сульфонированного 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. Это стало известно как «Топливный элемент Грабба-Нидрача». GE продолжила разработку этой технологии совместно с NASA и McDonnell Aircraft, что привело к ее использованию в рамках проекта Gemini . Это было первое коммерческое использование топливного элемента. В 1959 году команда под руководством Гарри Ихрига построила для Allis-Chalmers трактор на топливных элементах мощностью 15 кВт , который демонстрировался по всей территории США на государственных ярмарках. В этой системе в качестве электролита использовался гидроксид калия, а сжатые водород в качестве реагентов — и кислород. Позже, в 1959 году, Бэкон и его коллеги продемонстрировали практичный пятикиловаттный агрегат, способный питать сварочный аппарат. В 1960-х годах компания Pratt & Whitney лицензировала американские патенты Бэкона для использования в космической программе США для снабжения электричеством и питьевой водой (водород и кислород легко доступны из баков космических кораблей). В 1991 году Роджер Э. Биллингс разработал первый автомобиль на водородных топливных элементах.

UTC Power была первой компанией, которая произвела и коммерциализировала большую стационарную систему топливных элементов для использования в качестве когенерационной электростанции в больницах, университетах и ​​крупных офисных зданиях.

В знак признания индустрии топливных элементов и роли Америки в разработке топливных элементов Сенат США признал 8 октября 2015 года Национальным днем ​​водорода и топливных элементов , приняв резолюцию S. RES 217. Дата была выбрана с учетом атомного веса водорода. (1,008).

Типы топливных элементов; дизайн

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

На аноде катализатор ионизирует топливо, превращая его в положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Электролит — это вещество, специально созданное таким образом, чтобы ионы могли проходить через него, а электроны — нет. Освободившиеся электроны перемещаются по проводу, создавая электрический ток. Ионы проходят через электролит к катоду. Достигнув катода, ионы воссоединяются с электронами, и они вступают в реакцию с третьим химическим веществом, обычно с кислородом, с образованием воды или углекислого газа.

Блок-схема топливного элемента

Конструктивные особенности топливного элемента включают в себя:

• Электролитное вещество, которое обычно определяет тип топливного элемента, может быть изготовлено из ряда веществ, таких как гидроксид калия, карбонаты солей и фосфорная кислота.
• Топливо, которое используется. Наиболее распространенным топливом является водород.
• Анодный катализатор, обычно представляющий собой мелкий платиновый порошок, расщепляет топливо на электроны и ионы.
• Катодный катализатор, часто никель, превращает ионы в химические отходы, причем вода является наиболее распространенным типом отходов.
• Газодиффузионные слои, устойчивые к окислению.

Типичный топливный элемент выдает напряжение от 0,6 до 0,7 В при полной номинальной нагрузке. Напряжение уменьшается по мере увеличения тока из-за нескольких факторов:

• Потеря активации
• Омические потери ( падение напряжения из-за сопротивления компонентов элемента и межсоединений)
• Потери массопереноса (истощение реагентов на участках катализатора при высоких нагрузках, вызывающее быструю потерю напряжения).

Чтобы доставить желаемое количество энергии, топливные элементы можно объединить последовательно, чтобы обеспечить более высокое напряжение , и параллельно, чтобы обеспечить более высокого тока подачу . Такая конструкция называется стопкой топливных элементов . Площадь поверхности ячейки также можно увеличить, чтобы обеспечить более высокий ток из каждой ячейки.

Топливные элементы с протонообменной мембраной

Основная статья: Топливный элемент с протонообменной мембраной

Конструкция высокотемпературного PEMFC : биполярная пластина в качестве электрода с фрезерованной структурой газовых каналов, изготовленная из проводящих композитов (усиленных графитом , сажей , углеродным волокном и/или углеродными нанотрубками для большей проводимости); Пористая копировальная бумага; реактивный слой, обычно на полимерной нанесенной мембране; полимерная мембрана.

Конденсация воды, образуемой PEMFC, на стенке воздушного канала. Золотая проволока вокруг ячейки обеспечивает сбор электрического тока.

СЭМ-микрофотография поперечного сечения PEMFC MEA с катодом-катализатором из недрагоценного металла и анодом Pt/C. Для ясности применены ложные цвета.

В типичной конструкции топливного элемента с водородно-оксидной протонообменной мембраной (PEMFC) протонпроводящая полимерная мембрана (обычно нафион ) содержит раствор электролита , который разделяет анодную и катодную стороны. его называли топливным элементом с твердым полимерным электролитом ( SPEFC В начале 1970-х годов, до того, как механизм протонного обмена был хорошо понят, ). (Обратите внимание, что синонимы «полимерная электролитная мембрана» и «Протонообменный механизм» обозначают одну и ту же аббревиатуру .)

Со стороны анода водород диффундирует к анодному катализатору, где позже диссоциирует на протоны и электроны. Эти протоны часто реагируют с окислителями, в результате чего они становятся так называемыми мультиоблегченными протонными мембранами. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны вынуждены перемещаться по внешней цепи (подавая энергию), поскольку мембрана является электроизолирующей. На катодном катализаторе молекулы кислорода реагируют с электронами (прошедшими через внешнюю цепь) и протонами с образованием воды.

Помимо этого типа чистого водорода, существуют углеводородные топлива для топливных элементов, включая дизельное топливо , метанол ( см. Топливные элементы с прямым метанолом и топливные элементы с непрямым метанолом ) и химические гидриды. Отходами этих видов топлива являются углекислый газ и вода. При использовании водорода CO ₂ выделяется, когда метан из природного газа объединяется с паром в процессе, называемом паровой конверсией метана , для получения водорода. Это может происходить в другом месте относительно 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 токосъемники и прокладки.

Материалы, используемые для разных частей топливных элементов, различаются по типу. Биполярные пластины могут быть изготовлены из различных типов материалов, таких как металл, металл с покрытием, графит C–C , гибкий графит, композит , углеродно - полимерный композит и т. д. Мембранно -электродный узел (МЭА) называют сердцем PEMFC и обычно состоит из протонообменной мембраны, зажатой между двумя катализатором , покрытыми углеродными бумагами . Платина и/или подобные типы благородных металлов обычно используются в качестве катализатора для PEMFC, и они могут быть загрязнены окисью углерода , что требует относительно чистого водородного топлива. Электролитом может служить полимерная мембрана .

Проблемы конструкции топливных элементов с протонообменной мембраной

Расходы

В 2013 году Министерство энергетики подсчитало, что затраты на автомобильные топливные элементы мощностью 80 кВт могут быть достигнуты в размере 67 долларов США за киловатт при условии, что объем производства составит 100 000 автомобильных единиц в год, и 55 долларов США за киловатт, если предположить, что объем производства составит 500 000 единиц в год. год. Многие компании работают над методами снижения затрат различными способами, включая уменьшение количества платины, необходимой в каждой отдельной ячейке. Ballard Power Systems экспериментировала с катализатором, обогащенным углеродным шелком, который позволяет снизить на 30% (1,0–0,7 мг/см3). ² ) при использовании платины без снижения производительности. Университет Монаша использует в Мельбурне PEDOT в качестве катода . Исследование, опубликованное в 2011 году задокументировали первый безметалловый электрокатализатор с использованием относительно недорогих легированных углеродных нанотрубок , стоимость которых составляет менее 1% стоимости платины и имеют такие же или превосходящие характеристики. Недавно опубликованная статья продемонстрировала, как меняется нагрузка на окружающую среду при использовании углеродных нанотрубок в качестве углеродного субстрата для платины.

Управление водой и воздухом (в PEMFC)

В топливном элементе этого типа мембрана должна быть гидратированной, 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 трескается, создавая газовое «короткое замыкание», при котором водород и кислород напрямую соединяются, выделяя тепло, которое повредит топливный элемент. Если вода испаряется слишком медленно, электроды затопятся, что не позволит реагентам достичь катализатора и остановит реакцию. Разрабатываются методы управления водой в клетках, такие как электроосмотические насосы, ориентированные на контроль потока. Как и в двигателе внутреннего сгорания, для поддержания эффективной работы топливного элемента необходимо постоянное соотношение между реагентом и кислородом.

Управление температурой

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

Прочность, срок службы и особые требования к некоторым типам элементов.

Стационарные топливные элементы обычно требуют более 40 000 часов надежной работы при температуре от -35 до 40 °C (от -31 до 104 °F), тогда как автомобильные топливные элементы требуют срока службы 5 000 часов (что эквивалентно 240 000 км или 150 000 пробега). миль) при экстремальных температурах. Текущий срок службы составляет 2500 часов (около 120 000 км или 75 000 миль). Автомобильные двигатели также должны иметь возможность надежно запускаться при температуре -30 ° C (-22 ° F) и иметь высокое соотношение мощности к объему (обычно 2,5 кВт / л).

Ограниченная устойчивость к угарному газу некоторых катодов (не PEDOT).

Топливный элемент на фосфорной кислоте

Основная статья: Топливный элемент на фосфорной кислоте

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) были впервые разработаны и представлены в 1961 году Г. В. Элмором и Х. А. Таннером . В этих ячейках фосфорная кислота используется в качестве непроводящего электролита для передачи протонов от анода к катоду и для вынуждения электронов перемещаться от анода к катоду через внешнюю электрическую цепь. Эти элементы обычно работают при температуре от 150 до 200 °C. Эта высокая температура приведет к потерям тепла и энергии, если тепло не будет отведено и использовано должным образом. Это тепло можно использовать для производства пара для систем кондиционирования воздуха или любой другой системы, потребляющей тепловую энергию. Использование этого тепла в когенерации может повысить эффективность топливных элементов на фосфорной кислоте с 40–50% до примерно 80%. Поскольку скорость образования протонов на аноде невелика, платина используется в качестве катализатора для увеличения скорости ионизации. Ключевым недостатком этих элементов является использование кислого электролита. Это увеличивает коррозию или окисление компонентов, подвергающихся воздействию фосфорной кислоты.

Твердокислотный топливный элемент

Основная статья: Твердокислотный топливный элемент

Твердокислотные топливные элементы (SAFC) характеризуются использованием твердокислотного материала в качестве электролита. При низких температурах твердые кислоты имеют упорядоченную молекулярную структуру, как и большинство солей. При более высоких температурах (между 140 и 150   °C для CsHSO ₄ ) некоторые твердые кислоты претерпевают фазовый переход, превращаясь в сильно неупорядоченные «суперпротонные» структуры, что увеличивает проводимость на несколько порядков. Первые SAFC для проверки концепции были разработаны в 2000 году с использованием гидросульфата цезия (CsHSO ₄ ). В современных системах SAFC используется дигидрофосфат цезия (CsH ₂ PO ₄ ), срок службы которых исчисляется тысячами часов.

Щелочной топливный элемент

Основные статьи: Щелочной топливный элемент и топливный элемент с щелочной анионообменной мембраной.

Щелочной топливный элемент (AFC) или водородно-кислородный топливный элемент был разработан и впервые публично продемонстрирован Фрэнсисом Томасом Бэконом в 1959 году. Он использовался в качестве основного источника электрической энергии в космической программе «Аполлон». 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 КОН или NaOH , который служит электролитом. Газ H ₂ и газ O ₂ барботируются в электролит через пористые угольные электроды. Таким образом, общая реакция включает в себя сочетание газообразного водорода и газообразного кислорода с образованием воды. Ячейка работает непрерывно до тех пор, пока не исчерпается запас реагента. Этот тип элементов эффективно работает в диапазоне температур 343–413   К (70–140 °С) и обеспечивает потенциал около 0,9   В. Топливный элемент с щелочной анионообменной мембраной (AAEMFC) представляет собой тип AFC, в котором вместо водного гидроксида калия (KOH) используется твердый полимерный электролит, и он превосходит водный AFC.

Высокотемпературные топливные элементы

Твердооксидный топливный элемент

Основная статья: Твердооксидный топливный элемент

Твердооксидные топливные элементы твердый материал, чаще всего керамический материал, называемый стабилизированным иттрием диоксидом циркония (YSZ) (ТОТЭ) используют в качестве электролита . Поскольку ТОТЭ полностью изготовлены из твердых материалов, они не ограничиваются плоской конфигурацией других типов топливных элементов и часто имеют конструкцию скрученных трубок. Они требуют высоких рабочих температур (800–1000 °C) и могут работать на различных видах топлива, включая природный газ.

ТОТЭ уникальны, поскольку отрицательно заряженные ионы кислорода перемещаются от катода (положительная сторона топливного элемента) к аноду (отрицательная сторона топливного элемента) вместо протонов, путешествующих наоборот (т. е. от анода к катоду), как это происходит так же обстоит дело и со всеми другими типами топливных элементов. Газообразный кислород подается через катод, где он поглощает электроны для создания ионов кислорода. Ионы кислорода затем проходят через электролит и вступают в реакцию с газообразным водородом на аноде. Реакция на аноде производит электричество и воду в качестве побочных продуктов. Углекислый газ также может быть побочным продуктом в зависимости от топлива, но выбросы углерода от системы ТОТЭ меньше, чем от установки по сжиганию ископаемого топлива . Химические реакции для системы ТОТЭ можно выразить следующим образом:

Анодная реакция : 2H ₂ + 2O. ²⁻ → 2Н ₂ О + 4е ⁻

Катодная реакция : O ₂ + 4e ⁻ → 2О ²⁻

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

Системы ТОТЭ могут работать на топливе, отличном от чистого газообразного водорода. Однако, поскольку для перечисленных выше реакций необходим водород, выбранное топливо должно содержать атомы водорода. Для работы топливного элемента топливо должно быть преобразовано в чистый газообразный водород. ТОТЭ способны внутренне реформировать легкие углеводороды, такие как метан (природный газ), пропан и бутан. Эти топливные элементы находятся на ранней стадии разработки.

В системах ТОТЭ существуют проблемы из-за их высоких рабочих температур. Одной из таких проблем является возможность скопления углеродистой пыли на аноде, что замедляет внутренний процесс риформинга. Исследования по решению проблемы «углеродного коксования» в Пенсильванском университете показали, что использование металлокерамики на основе меди ( термостойких материалов из керамики и металла) может уменьшить коксование и потерю производительности. Еще одним недостатком систем ТОТЭ является длительный запуск, что делает ТОТЭ менее полезными для мобильных приложений. Несмотря на эти недостатки, высокая рабочая температура дает преимущество, устраняя необходимость в катализаторе из драгоценного металла, такого как платина, тем самым снижая стоимость. Кроме того, отходящее тепло систем ТОТЭ можно улавливать и повторно использовать, увеличивая теоретический общий КПД до 80–85%.

Высокая рабочая температура во многом обусловлена ​​физическими свойствами электролита YSZ. С понижением температуры снижается ионная проводимость YSZ. Следовательно, для получения оптимальных характеристик топливного элемента необходима высокая рабочая температура. Согласно их веб-сайту, компания Ceres Power , британский производитель топливных элементов ТОТЭ, разработала метод снижения рабочей температуры своей системы ТОТЭ до 500–600 градусов Цельсия. Они заменили широко используемый электролит YSZ на электролит CGO (оксид церия-гадолиния). Более низкая рабочая температура позволяет использовать в качестве подложки элемента нержавеющую сталь вместо керамики, что снижает стоимость и время запуска системы.

Топливный элемент с расплавленным карбонатом

Основная статья: Топливный элемент на расплавленном карбонате

Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) требуют высокой рабочей температуры, 650 ° C (1200 ° F), как и ТОТЭ . В MCFC в качестве электролита используется соль карбоната лития и калия, и эта соль сжижается при высоких температурах, обеспечивая перемещение заряда внутри ячейки — в данном случае отрицательных карбонат-ионов.

Как и ТОТЭ, MCFC способны преобразовывать ископаемое топливо в богатый водородом газ на аноде, устраняя необходимость производства водорода извне. Процесс реформинга приводит к выбросам CO ₂ . Топливо, совместимое с MCFC, включает природный газ, биогаз и газ, добываемый из угля. Водород в газе реагирует с ионами карбоната из электролита с образованием воды, углекислого газа, электронов и небольших количеств других химических веществ. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электричество, и возвращаются к катоду. Там кислород из воздуха и переработанный с анода углекислый газ вступают в реакцию с электронами, образуя ионы карбоната, которые пополняют электролит, замыкая цепь. Химические реакции для системы MCFC можно выразить следующим образом:

Анодная реакция : CO ₃ ²⁻ + Н ₂ → Н ₂ О + СО ₂ + 2е ⁻

Катодная реакция : CO ₂ + ½O ₂ + 2e ⁻ → _СО3 ²⁻

Общая реакция клетки : H ₂ + ½O ₂ → H ₂ O.

Как и в случае с ТОТЭ, к недостаткам MCFC относится 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. Высокая температура 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, изучая устойчивые к коррозии материалы для компонентов, а также конструкции топливных элементов, которые могут увеличить срок службы элементов без снижения производительности.

MCFC имеют ряд преимуществ перед другими технологиями топливных элементов, включая их устойчивость к примесям. Они не склонны к «углеродному коксованию», что означает накопление углерода на аноде, что приводит к снижению производительности из-за замедления внутреннего процесса риформинга топлива . Следовательно, топливо с высоким содержанием углерода, такое как газы, полученные из угля, совместимо с этой системой. Министерство энергетики США утверждает, что уголь сам по себе может даже стать топливом в будущем, если предположить, что систему можно будет сделать устойчивой к таким примесям, как сера и твердые частицы, образующимся в результате преобразования угля в водород. MCFC также имеют относительно высокую эффективность. Они могут достичь эффективности преобразования топлива в электроэнергию в 50%, что значительно выше, чем эффективность 37–42% на заводе по производству топливных элементов на фосфорной кислоте. Эффективность может достигать 65%, когда топливный элемент соединен с турбиной, и 85%, если тепло улавливается и используется в комбинированной системе производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

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

Электрический аккумуляторный топливный элемент

Электрический аккумуляторный топливный элемент представляет собой обычную батарею, заряжаемую за счет потребляемой электроэнергии с использованием обычного электрохимического эффекта. Однако батарея дополнительно включает в себя входы водорода (и кислорода) для альтернативной химической зарядки батареи.

Сравнение типов топливных элементов

Название топливного элемента	Электролит	Квалифицированная мощность (Вт)	Рабочая температура (°С)	Эффективность		Статус	Стоимость (долларов США/Вт)
				Клетка	Система
Электрогальванический топливный элемент	Водный щелочной раствор		< 40			Коммерческий/Исследовательский	3-7
Топливный элемент с прямой муравьиной кислотой (DFAFC)	Полимерная мембрана (иономер)	< 50 Вт	< 40			Коммерческий/Исследовательский	10-20
Щелочной топливный элемент	Водный щелочной раствор	10–200 кВт	< 80	60–70%	62%	Коммерческий/Исследовательский	50-100
Топливный элемент с протонообменной мембраной	Полимерная мембрана (иономер)	1 Вт – 500 кВт	50–100 (Нафион) 120–200 (ПБИ)	50–70%	30–50%	Коммерческий/Исследовательский	50–100
Металлогидридный топливный элемент	Водный щелочной раствор		> −20 (50% пик P при 0 °C)			Коммерческий/Исследовательский	30-200
Цинк-воздушная батарея	Водный щелочной раствор		< 40			Массовое производство	150-300
Прямоугольный топливный элемент	Несколько разных		700–850	80%	70%	Коммерческий/Исследовательский	18
Боргидридный топливный элемент прямого действия	Водный щелочной раствор		70			Коммерческий	400-450
Микробный топливный элемент	Полимерная мембрана или гуминовая кислота		< 40			Исследовать	10-50
Микробный топливный элемент с восходящим потоком (UMFC)			< 40			Исследовать	1-5
Регенеративный топливный элемент	Полимерная мембрана ( иономер )		< 50			Коммерческий/Исследовательский	200-300
Топливный элемент с прямым метанолом	Полимерная мембрана (иономер)	100 мВт – 1 кВт	90–120	20–30%	10–25%	Коммерческий/Исследовательский	125
Топливный элемент на реформированном метаноле	Полимерная мембрана (иономер)	5 Вт – 100 кВт	250–300 (реформатор) 125–200 (ПБИ)	50–60%	25–40%	Коммерческий/Исследовательский	8.50
Топливный элемент с прямым этанолом	Полимерная мембрана (иономер)	< 140 мВт/см²	> 25 ? 90–120			Исследовать	12
окислительно-восстановительный топливный элемент (РФК)	Жидкие электролиты с окислительно-восстановительным челноком и полимерной мембраной (иономерной)	1 кВт – 10 МВт				Исследовать	12.50
Топливный элемент на фосфорной кислоте	Расплавленная фосфорная кислота (H 3 PO 4 )	< 10 МВт	150–200	55%	40% Когенерация: 90%	Коммерческий/Исследовательский	4.00–4.50
Твердокислотный топливный элемент	ЧАС + -проводящая оксианионовая соль (твердая кислота)	10 Вт - 1 кВт	200–300	55–60%	40–45%	Коммерческий/Исследовательский	15
Топливный элемент с расплавленным карбонатом	Расплавленный щелочной карбонат	100 МВт	600–650	55%	45–55%	Коммерческий/Исследовательский	1000
Трубчатый твердооксидный топливный элемент (TSOFC)	ТО 2− -проводящий оксид керамики	< 100 МВт	850–1100	60–65%	55–60%	Коммерческий/Исследовательский	3.50
Протонный керамический топливный элемент	ЧАС + -проводящий оксид керамики		700			Исследовать	80
Планарный твердооксидный топливный элемент	ТО 2− -проводящий оксид керамики	< 100 МВт	500–1100	60–65%	55–60%	Коммерческий/Исследовательский	800
Ферментативные биотопливные элементы	Любой, который не денатурирует фермент.		< 40			Исследовать	10
Магниево-воздушный топливный элемент	Соленая вода		от −20 до 55	90%		Коммерческий/Исследовательский	15

Словарь терминов в таблице:

Дополнительная информация: глоссарий терминов топливных элементов.

Анод

Электрод, на котором происходит окисление (потеря электронов). Для топливных элементов и других гальванических элементов анодом является отрицательная клемма; для электролизеров (где происходит электролиз) анодом является положительная клемма.

Водный раствор

Относящийся к воде или напоминающий ее

Изготовлено из воды, с ее помощью или с помощью воды.

Катализатор

Химическое вещество, которое увеличивает скорость реакции, не расходуясь; после реакции он потенциально может быть извлечен из реакционной смеси и остается химически неизменным. Катализатор снижает необходимую энергию активации, позволяя реакции протекать быстрее или при более низкой температуре. В топливном элементе катализатор облегчает реакцию кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из платинового порошка, очень тонким слоем нанесенного на копировальную бумагу или ткань. Катализатор шероховатый и пористый, поэтому максимальная площадь поверхности платины может подвергаться воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора с платиновым покрытием обращена к мембране топливного элемента.

Катод

Электрод, на котором происходит восстановление (прирост электронов). Для топливных элементов и других гальванических элементов катод является положительной клеммой; для электролизеров (где происходит электролиз) катодом является отрицательная клемма.

Электролит

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

Стек топливных элементов

Отдельные топливные элементы, соединенные последовательно. Топливные элементы расположены друг над другом для увеличения напряжения.

Матрица

что-то внутри или из чего что-то другое возникает, развивается или принимает форму.

Мембрана

Разделительный слой в топливном элементе, выполняющий роль электролита (ионообменника), а также барьерная пленка, разделяющая газы в анодном и катодном отсеках топливного элемента.

Топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC)

Тип топливного элемента, который содержит расплавленный карбонатный электролит. Карбонат-ионы (CO ₃ ²⁻ ) переносятся от катода к аноду. Рабочая температура обычно составляет около 650 °C.

Топливный элемент на фосфорной кислоте (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.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (ПЭМ)

Топливный элемент, в котором в качестве электролита используется твердая полимерная мембрана. Протоны (H+) переносятся от анода к катоду. Диапазон рабочих температур для низкотемпературных топливных элементов с протонообменной мембраной (LT-PEMFC) обычно составляет 60–100 ° C. Топливный элемент PEM с рабочей температурой 120-200 °C называется высокотемпературным топливным элементом с протонообменной мембраной (HT-PEMFC).

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

Тип топливного элемента, в котором электролитом является 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.

Решение

Действие или процесс, при котором твердое, жидкое или газообразное вещество гомогенно смешивается с жидкостью, а иногда и с газом или твердым веществом.

Однородная смесь, образующаяся в результате этого процесса; особенно: однофазная жидкая система.

Состояние растворения.

Эффективность ведущих типов топливных элементов

Теоретическая максимальная эффективность

Энергетическая эффективность системы или устройства, преобразующего энергию, измеряется отношением количества полезной энергии, выделяемой системой («выходная энергия»), к общему количеству вложенной энергии («входная энергия») или по полезной выходной энергии в процентах от общей входной энергии. В случае топливных элементов полезная выходная энергия измеряется в электрической энергии, производимой системой. Входная энергия – это энергия, запасенная в топливе. По данным Министерства энергетики США, топливные элементы обычно имеют энергоэффективность от 40 до 60%. Это выше, чем в некоторых других системах производства энергии. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля может быть энергоэффективным примерно на 43%. Паровые электростанции обычно достигают КПД 30-40%. в то время как газовые турбины и паровые установки комбинированного цикла могут достичь эффективности выше 60%. В тепла и электроэнергии комбинированных системах производства (ТЭЦ) отходящее тепло , вырабатываемое в первичном энергетическом цикле - будь то топливный элемент, ядерное деление или сжигание - улавливается и используется, повышая эффективность системы до 85–90%.

Теоретическая максимальная эффективность любого типа системы производства электроэнергии никогда не достигается на практике, и она не учитывает другие этапы производства электроэнергии, такие как производство, транспортировка и хранение топлива и преобразование электроэнергии в механическую энергию. Однако этот расчет позволяет сравнивать различные типы генерации электроэнергии. Теоретический максимальный КПД топливного элемента приближается к 100%. в то время как теоретический максимальный КПД двигателей внутреннего сгорания составляет примерно 58%.

На практике

Значения даны от 40% для кислотных, 50% для расплавленных карбонатов, до 60% для щелочных, твердооксидных и PEM-топливных элементов.

Топливные элементы не могут хранить энергию, как аккумулятор. за исключением водорода, но в некоторых приложениях, таких как автономные электростанции на основе прерывистых источников, таких как солнечная или ветровая энергия , они объединяются с электролизерами и системами хранения, образуя систему хранения энергии. По состоянию на 2019 год 90% водорода использовалось для нефтепереработки, производства химикатов и удобрений (где водород необходим для процесса Габера-Боша ), а 98% водорода производится путем паровой конверсии метана , при которой выделяется углекислый газ. Общий КПД (электричество в водород и обратно в электричество) таких установок (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 условий. Система электролизер/топливный элемент может хранить неопределенное количество водорода и поэтому подходит для длительного хранения.

Твердооксидные топливные элементы производят тепло за счет рекомбинации кислорода и водорода. Керамика может нагреваться до 800 °C (1470 °F). Это тепло можно улавливать и использовать для нагрева воды в микро-ТЭЦ (м-ТЭЦ). При улавливании тепла общий КПД агрегата может достигать 80–90%, но без учета потерь при производстве и распределении. Сегодня когенерационные установки разрабатываются для внутреннего европейского рынка.

Профессор Джереми П. Мейерс в Электрохимического общества журнале «Интерфейс» в 2008 году написал: «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… .реакция выделения кислорода, если водород образуется в результате электролиза воды).... [T]они наиболее целесообразны для работы без подключения к сети или когда топливо может подаваться непрерывно для применений, требующих частой и относительной подачи. быстрый запуск ... там, где нулевой уровень выбросов является требованием, например, в закрытых помещениях, таких как склады, и где водород считается приемлемым реагентом, [Топливный элемент PEM] становится все более привлекательным выбором [если замена батарей неудобна] ". В 2013 году военные организации оценивали топливные элементы, чтобы определить, смогут ли они значительно снизить вес батареи, переносимый солдатами.

В транспортных средствах

В автомобиле на топливных элементах коэффициент полезного действия «бак-колесо» превышает 45% при низких нагрузках. такой ездовой цикл, как NEDC ( новый европейский ездовой цикл ). и показывает средние значения около 36%, когда в качестве процедуры испытания используется Сопоставимое значение NEDC для автомобиля с дизельным двигателем составляет 22%. В 2008 году компания Honda выпустила демонстрационный электромобиль на топливных элементах ( Honda FCX Clarity ) с топливной системой, заявленный КПД от бака до колеса 60%.

Также важно учитывать потери, связанные с добычей, транспортировкой и хранением топлива. Транспортные средства на топливных элементах, работающие на сжатом водороде, могут иметь КПД силовой установки к колесу 22%, если водород хранится в виде газа под высоким давлением, и 17%, если он хранится в виде жидкого водорода .

Приложения

Подводная лодка типа 212 с силовой установкой на топливных элементах. Этот экземпляр в сухом доке эксплуатируется ВМС Германии .

Власть

См. Также: Электростанция на водородных топливных элементах.

Стационарные топливные элементы используются для коммерческого, промышленного и бытового производства основной и резервной электроэнергии. 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, а также в некоторых военных целях. 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 требуют сгорания, в идеальных условиях их надежность может достигать 99,9999%. Это соответствует менее чем одной минуте простоя за шестилетний период.

Поскольку системы электролизеров на топливных элементах не хранят топливо сами по себе, а полагаются на внешние накопители, они могут успешно применяться в крупномасштабных хранилищах энергии, одним из примеров которых являются сельские районы. Существует много различных типов стационарных топливных элементов, поэтому их эффективность различается, но большинство из них имеют энергоэффективность от 40% до 60%. Однако, когда отходящее тепло топливных элементов используется для обогрева здания в когенерационной системе, этот КПД может увеличиться до 85%. Это значительно более эффективно, чем традиционные угольные электростанции, энергоэффективность которых составляет лишь около одной трети. При условии масштабного производства топливные элементы могут сэкономить 20–40% затрат на электроэнергию при использовании в когенерационных системах. Топливные элементы также намного чище, чем традиционное производство электроэнергии; Электростанция на топливных элементах, использующая природный газ в качестве источника водорода, создаст менее одной унции загрязнения (кроме CO ₂ ) на каждые 1000 кВт·ч произведенной продукции по сравнению с 25 фунтами загрязняющих веществ, вырабатываемых обычными системами сжигания. Топливные элементы также производят на 97% меньше выбросов оксидов азота, чем обычные угольные электростанции.

Одна из таких пилотных программ действует на острове Стюарт в штате Вашингтон. Вот энергетическая инициатива острова Стюарт построила полноценную систему с замкнутым контуром: солнечные панели питают электролизер, производящий водород. Водород хранится в резервуаре емкостью 500 галлонов США (1900 л) при напряжении 200 фунтов на квадратный дюйм (1400 кПа) и работает на топливном элементе ReliOn, обеспечивающем полную резервную электрическую поддержку дома, автономного от сети. Еще один замкнутый цикл системы был открыт в конце 2011 года в Хемпстеде, штат Нью-Йорк.

Топливные элементы можно использовать с низкокачественным газом со свалок или очистных сооружений для выработки электроэнергии и снижения выбросов метана . Завод по производству топливных элементов мощностью 2,8 МВт в Калифорнии считается крупнейшим в своем роде. Малые топливные элементы (менее 5 кВтч) разрабатываются для использования в жилых автономных системах.

Когенерация

См. Также: Водородная электростанция комбинированного цикла.

Системы топливных элементов комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), включая системы микрокомбинированного производства тепла и электроэнергии (МикроТЭЦ), используются для выработки как электроэнергии, так и тепла для домов (см. Домашний топливный элемент ), офисных зданий и заводов. Система генерирует постоянную электроэнергию (продавая избыточную мощность обратно в сеть, когда она не потребляется), и в то же время производит горячий воздух и воду из отходящего тепла . В результате системы ТЭЦ имеют потенциал для экономии первичной энергии, поскольку они могут использовать отходящее тепло, которое обычно отбрасывается системами преобразования тепловой энергии. Типичный диапазон мощности домашнего топливного элемента составляет 1–3 кВт _эл . , 4–8 кВт _·т . Системы ТЭЦ, связанные с абсорбционными охладителями, используют отходящее тепло для охлаждения .

Летом отработанное тепло топливных элементов можно отводить непосредственно в землю, обеспечивая дальнейшее охлаждение, а зимой отходящее тепло можно закачивать непосредственно в здание. Патентные права на систему этого типа принадлежат Университету Миннесоты.

Системы когенерации могут достигать эффективности 85% (40–60% электрической энергии, а остальное тепловой энергии). Топливные элементы на фосфорной кислоте (PAFC) составляют крупнейший сегмент существующей продукции ТЭЦ в мире и могут обеспечить совокупный КПД, близкий к 90%. Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC) и твердооксидными топливными элементами (SOFC) также используются для комбинированного производства тепла и электроэнергии и имеют КПД электроэнергии около 60%. К недостаткам систем когенерации относятся медленные темпы нарастания и снижения, высокая стоимость и короткий срок службы. Кроме того, необходимость иметь резервуар для хранения горячей воды для сглаживания выработки тепла была серьезным недостатком на внутреннем рынке, где пространство в жилых домах стоит очень дорого.

Консультанты Delta-ee заявили в 2013 году, что с 64% мировых продаж микрокомбинированные системы производства тепла и электроэнергии на топливных элементах превзошли по продажам традиционные системы в 2012 году. В японском проекте ENE FARM указано, что в период 2012–2014 годов было установлено 34 213 PEMFC и 2 224 SOFC, 30 000 установок на СПГ и 6 000 на СНГ .

Электромобили на топливных элементах (FCEV)

Основные статьи: Транспортное средство на топливных элементах , Транспортное средство на водородном топливе , Список транспортных средств на топливных элементах и ​​поезд на водородных топливных элементах.

Конфигурация компонентов автомобиля на топливных элементах

Тойота Мирай

Element One Автомобиль на топливных элементах

Автомобили

К концу 2019 года по всему миру было сдано в аренду или продано около 18 000 автомобилей FCEV. три электромобиля на топливных элементах В коммерческую аренду и продажу были выставлены : Honda Clarity , Toyota Mirai и Hyundai ix35 FCEV . Дополнительные демонстрационные модели включают Honda FCX Clarity и Mercedes-Benz F-Cell . По состоянию на июнь 2011 года демонстрационные FCEV проехали более 4 800 000 км (3 000 000 миль) и совершили более 27 000 дозаправок. Электромобили на топливных элементах имеют средний запас хода между дозаправками 505 км (314 миль). Их можно заправить менее чем за 5 минут. В программе технологий топливных элементов Министерства энергетики США говорится, что по состоянию на 2011 год топливные элементы достигли эффективности 53–59% на четверти мощности и эффективности автомобиля 42–53% на полной мощности. и долговечность более 120 000 км (75 000 миль) с ухудшением качества менее 10%. В ходе моделирования Well-to-Wheels в 2017 году, в котором «не учитывались экономические и рыночные ограничения», компания General Motors и ее партнеры подсчитали, что для эквивалентного путешествия электромобиль на топливных элементах, работающий на сжатом газообразном водороде, полученном из природного газа, может потребляют примерно на 40% меньше энергии и выделяют на 45% меньше парниковых газов, чем автомобили внутреннего сгорания.

В 2015 году Toyota представила свой первый автомобиль на топливных элементах Mirai по цене 57 000 долларов. Компания Hyundai представила ограниченное производство Hyundai ix35 FCEV по договору аренды. В 2016 году Honda начала сдавать в аренду топливные элементы Honda Clarity. В 2020 году Toyota представила второе поколение своего бренда Mirai, улучшив топливную экономичность и расширив запас хода по сравнению с оригинальной моделью седана 2014 года.

В 2024 году владельцы Mirai подали коллективный иск в Калифорнии из-за отсутствия водорода для электромобилей на топливных элементах, обвиняя, среди прочего, в мошенническом сокрытии и искажении фактов, а также в нарушении калифорнийского закона о ложной рекламе и подразумеваемых гарантиях. .

Критика

Некоторые комментаторы полагают, что автомобили на водородных топливных элементах никогда не станут экономически конкурентоспособными по сравнению с другими технологиями. или что потребуются десятилетия, чтобы они стали прибыльными. Илон Маск, генеральный директор производителя аккумуляторных электромобилей Tesla Motors , заявил в 2015 году, что топливные элементы для использования в автомобилях никогда не будут коммерчески жизнеспособными, среди прочего, из-за неэффективности производства, транспортировки и хранения водорода и воспламеняемости газа, среди других причин. В 2012 году компания 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 показал, 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. Другие исследования указывают на отсутствие обширной водородной инфраструктуры в США как на постоянную проблему коммерциализации электромобилей на топливных элементах.

В 2014 году Джозеф Ромм , автор книги «Шайп о водороде» (2005), заявил, что FCV до сих пор не преодолели высокую стоимость заправки, отсутствие инфраструктуры доставки топлива и загрязнение окружающей среды, вызванное производством водорода. «Чтобы одновременно решить все эти проблемы в ближайшие десятилетия, потребуется несколько чудес». Он пришел к выводу, что возобновляемая энергия не может экономически использоваться для производства водорода для парка FCV «ни сейчас, ни в будущем». Greentech Media пришел к аналогичным выводам в 2014 году. Аналитик В 2015 году CleanTechnica перечислила некоторые недостатки автомобилей на водородных топливных элементах. Так же поступил и Car Throttle . В видеоролике Real Engineering от 2019 года отмечается, что, несмотря на появление транспортных средств, работающих на водороде, использование водорода в качестве топлива для автомобилей не помогает снизить выбросы углекислого газа от транспорта. 95% водорода, который до сих пор производится из ископаемого топлива, выделяет углекислый газ, а производство водорода из воды является энергозатратным процессом. Хранение водорода требует больше энергии либо для его охлаждения до жидкого состояния, либо для помещения его 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 дороже, чем электричество, необходимое для перемещения BEV на такое же расстояние.

Оценка 2020 года пришла к выводу, что водородные автомобили по-прежнему эффективны только на 38%, а эффективность электромобилей с аккумулятором — на 80%. В 2021 году CleanTechnica пришла к выводу, что (а) водородные автомобили остаются гораздо менее эффективными, чем электромобили; (б) серый водород – водород, получаемый в результате загрязняющих процессов – составляет подавляющее большинство доступного водорода; (c) доставка водорода потребует строительства обширной и дорогой новой инфраструктуры доставки и дозаправки; и (d) оставшиеся два «преимущества транспортных средств на топливных элементах – больший запас хода и быстрое время заправки – быстро сводятся на нет из-за совершенствования аккумуляторов и технологий зарядки». Исследование, проведенное в Nature Electronics в 2022 году , подтвердило это. Исследование Центра международных исследований климата и окружающей среды (CICERO), проведенное в 2023 году, показало, что утечка водорода оказывает глобальное потепление в 11,6 раз сильнее, чем CO₂.

Автобусы

Toyota FCHV-BUS на выставке Expo 2005

По состоянию на август 2011 г. находилось около 100 автобусов на топливных элементах . По всему миру в эксплуатации Большинство из них были произведены компаниями UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics и Proton Motor. К 2011 году автобусы UTC проехали более 970 000 км (600 000 миль). Автобусы на топливных элементах имеют экономию топлива на 39–141 % выше, чем автобусы с дизельным двигателем и автобусы, работающие на природном газе.

По состоянию на 2019 год NREL . оценивал несколько текущих и планируемых проектов автобусов на топливных элементах в США

Поезда

Операторы поездов могут использовать водородные топливные элементы в поездах, чтобы сэкономить затраты на установку воздушной электрификации и сохранить запас хода, предлагаемый дизельными поездами. Однако они столкнулись с расходами из-за топливных элементов в поездах, срок службы которых составляет всего три года, обслуживания водородного бака и дополнительной потребности в батареях в качестве буфера энергии. В 2018 году первые поезда на топливных элементах, многопоездные поезда Alstom Coradia iLint, начали курсировать по линии Букстехуде – Бремерфёрде – Бремерхафен – Куксхафен в Германии. Водородные поезда также были введены в Швеции. и Великобритания.

Грузовики

В декабре 2020 года Toyota и Hino Motors вместе с Seven-Eleven (Япония) , FamilyMart и Lawson объявили, что договорились совместно рассмотреть возможность внедрения легких электрогрузовиков на топливных элементах (легких FCET). Лоусон начал испытания низкотемпературной доставки в конце июля 2021 года в Токио, используя Hino Dutro , в котором Toyota Mirai установлен топливный элемент . FamilyMart начал тестирование в городе Окадзаки .

В августе 2021 года Toyota объявила о своем плане производить модули топливных элементов на своем автосборочном заводе в Кентукки для использования в больших установках с нулевым уровнем выбросов и тяжелых коммерческих автомобилях. Сборку электрохимических устройств планируют начать в 2023 году.

В октябре 2021 года грузовик Daimler Truck на топливных элементах получил разрешение властей Германии на использование на дорогах общего пользования.

Вилочные погрузчики

Вилочный погрузчик на топливных элементах (также называемый погрузчиком на топливных элементах) — это промышленный вилочный погрузчик на топливных элементах , используемый для подъема и транспортировки материалов. использовалось более 4000 вилочных погрузчиков на топливных элементах . при погрузочно-разгрузочных работах В 2013 году в США из них 500 получили финансирование от Министерства энергетики (2012 г.). По состоянию на 2024 год во всем мире будет работать около 50 000 водородных вилочных погрузчиков (большая часть из которых находится в США) по сравнению с 1,2 миллионами аккумуляторных электрических погрузчиков, которые были приобретены в 2021 году.

Большинство компаний в Европе и США не используют вилочные погрузчики, работающие на бензине, поскольку эти транспортные средства работают в закрытых помещениях, где необходимо контролировать выбросы, и вместо этого используют электрические вилочные погрузчики. Вилочные погрузчики, работающие на топливных элементах, можно заправить за 3 минуты, и их можно использовать на холодильных складах, где их производительность не ухудшается при более низких температурах. Блоки FC часто проектируются как замена.

Мотоциклы и велосипеды

В 2005 году британский производитель топливных элементов на водороде, Intelligent Energy (IE), выпустил первый работающий мотоцикл, работающий на водороде, под названием ENV (Emission Neutral Vehicle). В мотоцикле достаточно топлива, чтобы проехать четыре часа и проехать 160 км (100 миль) по городской местности с максимальной скоростью 80 км/ч (50 миль в час). В 2004 году компания Honda разработала мотоцикл на топливных элементах, в котором использовалась система Honda FC Stack.

Другие примеры мотоциклов и велосипеды В число тех, кто использует водородные топливные элементы, входит скутер тайваньской компании APFCT. с использованием системы заправки итальянской Acta SpA. и скутер Suzuki Burgman с топливным элементом IE , получивший одобрение типа транспортного средства ЕС в 2011 году. Suzuki Motor Corp. и IE объявили о создании совместного предприятия для ускорения коммерциализации автомобилей с нулевым уровнем выбросов.

Самолеты

В 2003 году был поднят первый в мире винтовой самолет, полностью работающий на топливных элементах. Топливный элемент представлял собой конструкцию штабеля, которая позволяла интегрировать топливный элемент с аэродинамическими поверхностями самолета. К беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на топливных элементах относится БПЛА Horizon на топливных элементах, который в 2007 году установил рекорд дальности полета для небольшого БПЛА. Исследователи Boeing и отраслевые партнеры по всей Европе провели в феврале 2008 года экспериментальные летные испытания пилотируемого самолета, работающего только на топливных элементах и ​​легких батареях. с протонообменной мембраной (PEM) В самолете-демонстраторе топливных элементов, как его называли, использовалась гибридная система топливного элемента и литий-ионной батареи для питания электродвигателя, который был соединен с обычным пропеллером.

В 2009 году самолет «Ионный тигр» Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) использовал топливный элемент на водороде и пролетел 23 часа 17 минут. 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, одновременно сокращая выбросы углекислого газа. В 2016 году дрон Raptor E1 совершил успешный испытательный полет, используя топливный элемент, который был легче литий-ионной батареи, которую он заменил. Полет длился 10 минут на высоте 80 метров (260 футов), хотя, как сообщается, в топливном элементе было достаточно топлива для полета в течение двух часов. Топливо содержалось примерно в 100 твердых таблетках площадью 1 квадратный сантиметр (0,16 кв. дюйма), состоящих из запатентованного химиката, в картридже без давления. Гранулы физически прочны и работают при температуре до 50 °C (122 °F). Ячейка была от Arcola Energy.

Lockheed Martin Skunk Works Stalker — электрический БПЛА, работающий на твердооксидных топливных элементах.

Лодки

Лодка на топливных элементах ( Hydra ) в Лейпциге , Германия.

«Гидра » , лодка на топливных элементах на 22 человека, эксплуатировалась с 1999 по 2001 год на реке Рейн недалеко от Бонна , Германия. и использовался в качестве парома в Генте , Бельгия, во время конференции по электрическим лодкам в 2000 году. Он был полностью сертифицирован Germanischer Lloyd для пассажирских перевозок. Небольшое пассажирское судно «Земшип» производилось с 2003 по 2013 год. На нем использовались топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEMFC) мощностью 100 кВт и 7 свинцово-гелевых батарей. Благодаря этим системам, а также 12 резервуарам для хранения топлива, топливные элементы обеспечивали энергетическую мощность 560 В и 234 кВтч. Сделанный в Гамбурге , Германия, FCS Alsterwasser, представленный в 2008 году, был одним из первых пассажирских судов, работающих на топливных элементах и ​​способных перевозить 100 пассажиров. Технология гибридных топливных элементов, которая привела в действие этот корабль, была произведена компанией Proton Motor Fuel Cell GmbH.

В 2010 году был впервые выпущен MF Vågen, в котором использовались топливные элементы мощностью 12 кВт и 2-3-килограммовый металлогидридный аккумулятор водорода. Он также использует литиевые батареи емкостью 25 кВтч и двигатель постоянного тока мощностью 10 кВт. Hornblower Hybrid дебютировал в 2012 году. В нем используются дизельный генератор , аккумуляторы, фотоэлектрические элементы , энергия ветра и топливные элементы для получения энергии. Сделанный в Бристоле 12-местный гибридный паром Hydrogenesis находится в эксплуатации с 2012 года. SF-BREEZE — двухмоторная лодка, в которой используются топливные элементы мощностью 41 × 120 кВт. С резервуаром-хранилищем типа C сосуд под давлением может вмещать 1200 кг LH2. Эти корабли находятся в эксплуатации и по сей день. В Норвегии первый паром, работающий на топливных элементах, работающих на жидком водороде, должен был пройти первые испытания в декабре 2022 года.

Подводные лодки типа 212 ВМС Германии и Италии используют топливные элементы, позволяющие оставаться под водой в течение нескольких недель без необходимости всплытия. U212A — неатомная подводная лодка, разработанная немецкой военно-морской верфью Howaldtswerke Deutsche Werft. Система состоит из девяти топливных элементов PEM мощностью от 30 до 50 кВт каждый. Корабль бесшумен, что дает ему преимущество в обнаружении других подводных лодок.

Портативные энергосистемы

Портативные системы топливных элементов обычно классифицируются как системы весом менее 10 кг и мощностью менее 5 кВт. Потенциальный размер рынка топливных элементов меньшего размера довольно велик: потенциальные темпы роста до 40% в год и размер рынка около 10 миллиардов долларов, что требует большого количества исследований, посвященных разработке портативных энергетических элементов. Внутри этого рынка были выявлены две группы. Первый — это рынок микротопливных элементов мощностью от 1 до 50 Вт для небольших электронных устройств. Второй — это генераторы мощностью 1–5 кВт для производства электроэнергии в больших масштабах (например, на военных аванпостах, отдаленных нефтяных месторождениях).

Микротопливные элементы в первую очередь нацелены на проникновение на рынок телефонов и ноутбуков. В первую очередь это можно объяснить выгодной плотностью энергии, обеспечиваемой топливными элементами по сравнению с литий-ионной батареей для всей системы. Для аккумулятора эта система включает в себя зарядное устройство, а также сам аккумулятор. Для топливного элемента эта система будет включать сам 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. 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 за Втч, системы на топливных элементах стоят около 5 долларов за Втч, что ставит их в невыгодное положение.

Поскольку потребность в электроэнергии для мобильных телефонов возрастает, топливные элементы могут стать гораздо более привлекательным вариантом для более крупного производства электроэнергии. Потребители часто требуют более длительного времени работы телефонов и компьютеров, поэтому топливные элементы могут начать продвигаться на рынки ноутбуков и мобильных телефонов. Цена продолжит снижаться, поскольку развитие топливных элементов продолжает ускоряться. Текущая стратегия улучшения микротопливных элементов заключается в использовании углеродных нанотрубок . Это было показано Гиришкумаром и др. что осаждение нанотрубок на поверхности электродов позволяет значительно увеличить площадь поверхности, увеличивая скорость восстановления кислорода.

Топливные элементы для использования в более масштабных операциях также показывают большие перспективы. Портативные энергетические системы, в которых используются топливные элементы, могут использоваться в секторе отдыха (т. е. автодома, домики, морские суда), промышленном секторе (т. е. электроснабжение удаленных мест, включая газовые/нефтяные скважины, башни связи, службы безопасности, метеостанции), а также в военный сектор. SFC Energy — немецкий производитель топливных элементов с прямым метаноловым топливом для различных портативных энергетических систем. Ensol Systems Inc. — интегратор портативных энергосистем, использующих SFC Energy DMFC. Ключевым преимуществом топливных элементов на этом рынке является высокая выработка энергии на единицу веса. Хотя топливные элементы могут быть дорогими, для удаленных мест, где требуется надежная энергия, топливные элементы обладают большой мощностью. Для 72-часового путешествия сравнение по весу является существенным: топливный элемент весит всего 15 фунтов по сравнению с 29 фунтами батарей, необходимых для той же энергии.

Другие приложения

• Обеспечение электропитанием базовых станций или сотовых станций
• Системы аварийного электроснабжения — это тип системы топливных элементов, которая может включать освещение, генераторы и другое оборудование для обеспечения резервных ресурсов 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 .
• Телекоммуникации оборудование и современные военные корабли.
• Источник бесперебойного питания ( ИБП ) обеспечивает аварийное питание и, в зависимости от топологии, обеспечивает регулирование линии, а также подключенного оборудования, подавая питание от отдельного источника, когда электроэнергия недоступна. В отличие от резервного генератора, он может обеспечить мгновенную защиту от кратковременного отключения электроэнергии.
• Смартфоны , ноутбуки и планшеты для использования в местах, где зарядка от переменного тока может быть недоступна.
• Портативная зарядная станция для мелкой электроники (например, зажим для ремня, который заряжает сотовый телефон или КПК ).
• Малые отопительные приборы
• Сохранение пищевых продуктов , достигаемое за счет истощения кислорода и автоматического поддержания истощения кислорода в транспортном контейнере, содержащем, например, свежую рыбу.
• Датчики, в том числе в алкотестерах , где величина напряжения, генерируемого топливным элементом, используется для определения концентрации топлива (спирта) в образце.

Заправочные станции

Основные статьи: Водородная станция и Водородное шоссе.

Водородная заправочная станция

По данным отраслевой группы FuelCellsWorks, по состоянию на конец 2019 года 330 водородных заправочных станций . по всему миру было открыто По состоянию на июнь 2020 года в Азии действовало 178 общедоступных водородных станций. 114 из них были в Японии. В Европе было не менее 177 станций, и около половины из них находились в Германии. В США было 44 общедоступных станции, 42 из которых располагались в Калифорнии.

Стоимость строительства водородной заправочной станции составляет от 1 до 4 миллионов долларов.

Социальные последствия

По состоянию на 2023 год технологические барьеры на пути внедрения топливных элементов сохраняются. Топливные элементы предназначены в первую очередь для погрузочно-разгрузочных работ на складах, распределительных центрах и производственных объектах. Предполагается, что они будут полезны и устойчивы в более широком спектре применений. Однако текущие заявки не часто доходят до сообществ с низкими доходами. хотя предпринимаются некоторые попытки инклюзивности, например, в области доступности.

Рынки и экономика

Основные статьи: Водородная экономика и Экономика метанола

В 2012 году доходы индустрии топливных элементов во всем мире превысили 1 миллиард долларов, при этом страны Азиатско-Тихоокеанского региона поставляли более 3/4 систем топливных элементов по всему миру. Однако по состоянию на январь 2014 года ни одна публичная компания в отрасли еще не стала прибыльной. В 2010 году по всему миру было отправлено 140 000 батарей топливных элементов по сравнению с 11 000 поставок в 2007 году, а с 2011 по 2012 год ежегодные темпы роста поставок топливных элементов по всему миру составили 85%. Танака Кикинзоку расширила свои производственные мощности в 2011 году. Примерно 50% поставок топливных элементов в 2010 году составили стационарные топливные элементы, по сравнению с примерно одной третью в 2009 году, а четырьмя доминирующими производителями в отрасли топливных элементов были США, Германия, Япония и Южная Корея. Альянс по преобразованию твердотельной энергии Министерства энергетики обнаружил, что по состоянию на январь 2011 года стационарные топливные элементы производили электроэнергию по цене примерно от 724 до 775 долларов за установленный киловатт. В 2011 году компания Bloom Energy, крупный поставщик топливных элементов, заявила, что ее топливные элементы производят электроэнергию по цене 9–11 центов за киловатт-час, включая цену на топливо, техническое обслуживание и оборудование.

Промышленные группы прогнозируют, что существует достаточно ресурсов платины для будущего спроса. а в 2007 году исследования в Брукхейвенской национальной лаборатории предположили, что платину можно заменить золото- палладиевым покрытием, которое может быть менее подвержено отравлению и тем самым увеличить срок службы топливных элементов. Другой метод предполагает использование железа и серы 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 . Катоды PEDOT невосприимчивы к отравлению угарным газом .

В 2016 году Samsung «решила отказаться от бизнес-проектов, связанных с топливными элементами, поскольку перспективы рынка не очень хорошие».

Исследования и разработки

• 2005: Исследователи Технологического института Джорджии использовали триазол для повышения рабочей температуры топливных элементов PEM с менее 100 ° C до более 125 ° C, утверждая, что это потребует меньше очистки водородного топлива от окиси углерода.
• 2008: Университет Монаша использовал в Мельбурне PEDOT в качестве катода .
• 2009: Исследователи из Дейтонского университета в Огайо показали, что массивы вертикально выращенных углеродных нанотрубок можно использовать в качестве катализатора в топливных элементах. В том же году был продемонстрирован катализатор для топливных элементов на основе никелевого бисдифосфина.
• 2013: Британская фирма ACAL Energy разработала топливный элемент, который, по ее словам, может работать 10 000 часов в моделируемых условиях вождения. В нем утверждается, что стоимость конструкции топливных элементов можно снизить до 40 долларов за киловатт (примерно 9000 долларов за 300 л.с.).
• 2014: Исследователи Имперского колледжа Лондона разработали новый метод регенерации PEFC, загрязненных сероводородом. Они восстановили 95–100% первоначальной производительности PEFC, загрязненного сероводородом. Им также удалось омолодить _{SO 2 .} PEFC, загрязненный Этот метод регенерации применим к нескольким стопкам ячеек.
• 2019: Исследователи исследовательской лаборатории армии США разработали топливный элемент для выработки водорода на месте, состоящий из двух частей: одна часть для выработки водорода, а другая для выработки электроэнергии с помощью внутренней водородно-воздушной электростанции.
• 2022: Исследователи из Университета Делавэра разработали топливный элемент на водороде, который, по прогнозам, будет работать с меньшими затратами и будет работать при цене примерно 1,4 доллара США за кВт. Эта конструкция удаляет углекислый газ из воздуха, подаваемого в топливные элементы с гидроксидообменной мембраной .

См. также

• Бионано генератор
• Криптофан
• Информационный центр разработки топливных элементов
• Совместная технологическая инициатива по топливным элементам и водороду
• Сетевое хранилище энергии
• Реформатор водорода
• Хранение водорода
• Водородные технологии
• Список производителей топливных элементов
• Реформатор метанола
• ПЭМ-электролиз

Дальнейшее чтение

• Вильстих, В.; и др., ред. (2009). Справочник по топливным элементам: достижения в области электрокатализа, материалов, диагностики и долговечности . Хобокен: Джон Уайли и сыновья.
• Грегор Хугерс (2003). Технология топливных элементов – Справочник . ЦРК Пресс.
• 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 . Эльзевир Академик Пресс.
• Франо Барбир (2005). Топливные элементы PEM – теория и практика . Эльзевир Академик Пресс.
• EG&G Технические услуги, Inc. (2004 г.). Справочник по технологиям 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 исследований (первое изд.). Эльзевир Академик Пресс. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

Внешние ссылки

• Происхождение топливных элементов: 1840–1890 гг.
• EERE: Программа «Водород, топливные элементы и инфраструктурные технологии»
• Термодинамика электролиза водных и водородных топливных элементов
• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS: «Топливные элементы»