Обращенный топливный элемент.

Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Топливные элементы - это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую.

Топливный элемент рис. 3.20 состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

Рис. 3.20. Водородно-кислородный топливный элемент

Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии. Принцип действия топливных элементов. Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую, в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива.

Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.

Основные типы топливные элементы приведены в таблице 3.1.

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород и обратно в электрическую энергию) 30-40%

Таблица 3.1. Основные типы топливных элементов

Тип топливного элемента	Реакция на аноде	Электролит	Реакция на катоде	Температура, °С
Щелочной ТЭ	2H2 + OH- → 2H2O + 4e-	Раствор КОН	O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
ТЭ с протоннообменной мембраной	2H2 → 4H+ + 4e-	Протоннообменная мембрана	O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Метанольный ТЭ	2CH3OH + 2H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e-	Протонно-обменная мембрана	3O2 + 12H+ + 12e- → 6H2O
ТЭ на основе ортофосфорной кислоты	2H2 → 4H+ + 4e-	Раствор фосфорной кислоты	O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
ТЭ на основе расплавленного карбоната	2H2 + 2CO32- → 2H2O + 2CO2 + 4e-	Расплавленный карбонат	O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-
Твердотельный оксидный ТЭ	2H2 + 2O2- → 2H2O + 4e-	Смесь оксидов	O2 + 4e- → 2O2-

Топливные элементы первоначально применялись только в космической отрасли. В настоящее время сфера их применения непрерывно расширяется таблица 3.2.

Широко используются высокомощные энергетические установки на базе топливных элементов. В основном такие установки работают на основе элементов, на базе расплавленных карбонатов, фосфорной кислоты и твердых оксидов. Как правило, такие установки используют не только для выработки электроэнергии, но и для получения тепла.

Большие усилия прилагаются для разработки гибридных установок, в которых высокотемпературные топливные элементы комбинируются с газовыми турбинами. КПД таких установок может достигать 74,6% при усовершенствовании газовых турбин.

Таблица 3.2. Примеры применения топливных элементов

Область применения	Мощность	Примеры использования
Стационарные установки	5 - 250 кВт и выше	Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
Портативные установки	1-50 кВт	Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники
Транспорт	25-150 кВт	Автомобили и другие транспортные средства, военные корабли и подводные лодки
Портативные устройства	1-500 Вт	Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры, различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

Активно выпускаются и маломощные установки на базе топливных элементов.

Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива.

Электрохимический генератор - устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют важных отличия: они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.

Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащие сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.

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

Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.

Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50%, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12 - 15%, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще более увеличивается.

В отличие от, например двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, то есть большие установки столь же эффективны, как и малые. Важное преимущество топливных элементов - их экологичность.

Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания.

Автономные источники тепло - электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородсодержащего сырья (нефти, природного газа).

Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность, в топливном элементе отсутствуют движущиеся части, долговечность и простота эксплуатации.

Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость.

Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки.

Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что наиболее эффективны они при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии.