Краткое введение о типах топливных элементов, представленных в настоящее время на рынке

Топливный элемент — это биологическая и электрохимическая система, которая классифицируется в зависимости от используемого электролита и производственного процесса. Эти топливные элементы производят различные формы энергии посредством электрохимического процесса или используются для выработки тепловой энергии или электричества без необходимости таких процессов, как сжигание или газификация. В настоящее время существует несколько технологий топливных элементов, находящихся на стадии разработки прототипа или исследований, причем некоторые из наиболее известных из них различаются используемыми электролитами, протекающими химическими реакциями, задействованными катализаторами, рабочими температурами и типом топлива, используемого в качестве сырья. Ниже приведено краткое представление об известных в настоящее время классификациях и характеристиках топливных элементов. На рисунке ниже кратко представлены виды топлива, используемые в различных типах топливных элементов, а также простые структурные пояснения и рабочие температуры; В следующей таблице представлены электролиты, рабочие температуры, виды топлива, а также преимущества и недостатки, необходимые для каждого типа топливных элементов.

I. Топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEMFC — Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)

       Высокая удельная мощность и малый вес топливных элементов с мембраной из полимерного электролита (PEMFC) делают их более популярным выбором, чем другие типы топливных элементов. Это также наиболее распространенный и широко продвигаемый технологический маршрут для коммерческого применения. Это название используется взаимозаменяемо с топливными элементами с протонообменной мембраной, и здесь оно также конкретно относится к низкотемпературным топливным элементам (LT-PEM). Твердые полимерные электролиты и угольные электроды с катализаторами из платины или платиновых сплавов позволяют этим топливным элементам использовать только водород и кислород (воздух). Обычно PEMFC используют в качестве топлива чистый водород (99,99%+) из резервуаров-хранилищ или установок риформинга. Эти топливные элементы работают при более низкой температуре, около 80°C (176°F), что приводит к более быстрому запуску и меньшему износу компонентов системы, что означает большую долговечность. Однако использование катализаторов из драгоценных металлов, таких как платина, увеличивает стоимость системы. Хотя PEMFC в основном используются для транспортных целей, их также можно использовать в стационарных электростанциях для комбинированного производства тепла и электроэнергии. Они особенно подходят для транспортных средств, таких как автобусы, легковые автомобили и тяжелые грузовики. Есть много крупных игроков, таких как японская Toyota, южнокорейская Hyundai, Ballard и т. д., а отечественных компаний слишком много, чтобы их можно было упомянуть.

II. Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC - Топливные элементы с прямым метанолом)

Большинство топливных элементов работают на водороде, который может подаваться непосредственно в систему или производиться путем риформинга топлива, богатого водородом, такого как метанол, этанол или углеводороды. Однако работа DMFC (топливного элемента с прямым метанолом) полностью основана на 100% метаноле, который обычно смешивается с водой перед впрыском непосредственно в анод топливного элемента. DMFC не страдают от проблем с хранением топлива, характерных для других систем топливных элементов, поскольку метанол имеет более высокую плотность энергии, чем водород (хотя и ниже, чем бензин или дизельное топливо). Кроме того, метанол представляет собой жидкость, во многом похожую на бензин, что упрощает транспортировку и распространение через существующую инфраструктуру. DMFC обычно используются в портативных топливных элементах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки. В настоящее время некоторые компании занимаются коммерческим продвижением, особенно в таких сценариях, как военная промышленность и базовые станции. Принцип конструкции показан на рисунке:

III. Щелочные топливные элементы (AFC – Щелочные топливные элементы)

Щелочная электролизная вода (AEC) хорошо известна всем, но щелочные топливные элементы (AFC), возможно, и не известны, хотя AFC является одной из первых изобретенных технологий топливных элементов и широко используется в космической программе США для производства электроэнергии и воды на космических кораблях. В качестве электролита используется раствор гидроксида калия и воды, что, в свою очередь, дает возможность использовать большое количество катализаторов из неблагородных металлов на аноде и катоде. Недавно появились новые АФК, использующие в качестве электролитов полимерные мембраны. Эти топливные элементы аналогичны традиционным топливным элементам PEM, но используют щелочную мембрану вместо кислотной. Одним из основных препятствий для щелочных топливных элементов (AFC) является их уязвимость к отравлению углекислым газом (CO2). Даже следы углекислого газа в воздухе могут создавать карбонатные отложения, которые могут серьезно повлиять на эффективность и срок службы батареи. Хотя AFC с жидкими электролитами могут работать в режиме рециркуляции для регенерации электролита и уменьшения образования карбонатов, этот режим вызывает шунтирующий ток и другие проблемы, такие как смачиваемость, коррозия и перепад давления. Топливные элементы с щелочными мембранами (AMFC) решают эти проблемы и менее подвержены отравлению углекислым газом, чем AFC, в которых используются жидкие электролиты. Однако углекислый газ по-прежнему влияет на их производительность, и в настоящее время они отстают от топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) как по производительности, так и по долговечности. AMFC в настоящее время изучаются на предмет их потенциального использования в диапазоне от нескольких ватт до нескольких киловатт. Однако в практическом применении необходимо решить некоторые проблемы, такие как устойчивость к диоксиду углерода, проводимость мембраны и долговечность. Коммерческое продвижение слабое, а известных компаний мало.

IV. Топливные элементы на фосфорной кислоте (PAFC — топливные элементы на фосфорной кислоте)

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) используют жидкую фосфорную кислоту в качестве электролита, которая обернута матрицей из карбида кремния и связана политетрафторэтиленом (ПТФЭ). Электрод состоит из пористого углерода, содержащего платиновый катализатор. PAFC часто называют современными топливными элементами «первого поколения», они считаются одним из наиболее зрелых типов топливных элементов и уже некоторое время используются в коммерческих целях. В основном они используются для стационарного производства электроэнергии, но есть также примеры PAFC, приводящих в действие большие транспортные средства, такие как городские автобусы. По сравнению с ячейками с протонообменной мембраной (PEM), PAFC имеют преимущества в устойчивости к примесям в ископаемом топливе, которые преобразуются в водород. Элементы PEM легко «отравляются» угарным газом, который связывается с платиновым катализатором в аноде, снижая эффективность топливного элемента. Напротив, PAFC имеют определенную толерантность к примесям и имеют эффективность более 85% в сочетании с теплом и электроэнергией. Однако они менее эффективны при производстве электроэнергии в одиночку: КПД составляет от 37% до 42%. Этот уровень эффективности лишь немного выше, чем у электростанций, работающих на сжигании, эффективность которых обычно составляет около 33%. Кроме того, PAFC менее мощные и большие, чем другие топливные элементы того же веса и объема, что делает их производство более дорогим. Производство этих топливных элементов требует большого количества дорогих платиновых катализаторов, что приводит к более высоким затратам. Представительские компании, такие как южнокорейская Doosan (DOOSAN) . PAFC в основном используются для стационарной генерации электроэнергии и дронов.

В. ​Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC-Топливные элементы с расплавленным карбонатом)

В настоящее время ведется разработка топливных элементов на основе расплавленного карбоната (MCFC) с целью их использования на электростанциях, работающих на природном газе и угле, для различных применений в электроэнергетическом, промышленном и военном секторах. Эти топливные элементы предназначены для работы при температуре около 650°C (1200°F) и считаются высокотемпературными топливными элементами. Электролит, используемый в MCFC, представляет собой расплавленную карбонатную соль, суспендированную в пористой инертной керамической матрице из оксида лития и алюминия. Одним из преимуществ работы при высоких температурах является то, что неблагородные металлы можно использовать в качестве катализаторов как для анода, так и для катода, что помогает снизить затраты. MCFC позволяют значительно снизить затраты за счет повышения эффективности. В сочетании с турбинами эти топливные элементы могут достигать эффективности до 6,5 % , что намного превышает эффективность 37-42% топливных элементов на фосфорной кислоте. Кроме того, когда отходящее тепло улавливается и утилизируется, общая эффективность использования топлива может превышать 85%. В отличие от щелочных, фосфорнокислотных и топливных элементов PEM, MCFC не требуют внешнего риформера для преобразования топлива, такого как природный газ и биогаз, в водород. Вместо этого сам топливный элемент преобразует метан и другие легкие углеводороды в водород посредством внутреннего риформинга, тем самым снижая затраты. При нынешних технологиях MCFC сталкиваются с серьезным недостатком долговечности. Тяжелые условия эксплуатации при высоких температурах и использование агрессивных электролитов ускоряют коррозию и разложение компонентов, что в конечном итоге сокращает срок их службы . Исследователи активно исследуют возможности использования коррозионностойких материалов и разрабатывают конструкции топливных элементов, которые могут удвоить текущий срок службы в 40 000 часов (около пяти лет) без ущерба для производительности. Представительские компании, такие как Fuel Cell Energy в США.

VI : Высокотемпературные твердооксидные батареи (ТОТЭ-твердооксидные топливные элементы).

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют твердый непористый керамический состав в качестве электролита и имеют высокую эффективность преобразования топлива в электричество, около 60%. В комбинированных системах производства тепла и электроэнергии общая эффективность использования топлива может превышать 84% за счет улавливания и использования отходящего тепла системы. Эти топливные элементы работают при очень высоких температурах, до 1830°F.

Эта высокотемпературная операция не требует катализаторов из драгоценных металлов, что снижает затраты. Кроме того, ТОТЭ могут внутренне реформировать топливо, позволяя использовать различные виды топлива и снижая затраты, связанные с добавлением конвертера в систему. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) имеют явные преимущества перед другими типами топливных элементов. Например, они могут переносить больше серы, чем другие типы, и не чувствительны к отравлению угарным газом, а это означает, что они могут работать на различных видах топлива, таких как природный газ, биогаз и газы, полученные из угля. Кроме того, работа при высоких температурах устраняет необходимость в катализаторах из драгоценных металлов, что делает его более дешевым. Однако работа при высоких температурах создает проблемы, в том числе медленный запуск и требования к тепловой защите, что делает их непригодными для транспортировки. Кроме того, долговечность является критической проблемой из-за суровых условий при высоких температурах. Поэтому крайне важно разработать недорогие материалы, способные противостоять этим условиям. Одним из многообещающих подходов является разработка ТОТЭ с более низкой температурой, которые имеют меньше проблем с долговечностью и более низкие эксплуатационные расходы. Хотя эти низкотемпературные ТОТЭ еще не достигли тех же характеристик, что и высокотемпературные системы, ученые в настоящее время разрабатывают пакеты материалов, которые могут работать в этом более низкотемпературном диапазоне. В настоящее время существует множество связанных компаний в стране и за рубежом. Конкретные принципы работы и конструкции показаны на рисунке.

VII . Реверсивные топливные элементы (RFC — Reversible Fuel Cells)

Строго говоря, обратимые топливные элементы не относятся к конкретному техническому маршруту. В настоящее время наиболее распространенными являются обратимый щелочной электролиз, обратимый PEM и обратимый SOC (имеется в виду обратимый электролиз воды и топливных элементов). Их принципы работы аналогичны принципам работы других топливных элементов, поскольку они генерируют электричество и тепло из водорода, кислорода и воды в качестве побочных продуктов. Однако обратимые системы топливных элементов обладают дополнительной способностью выполнять электролиз и производить водородное и кислородное топливо, используя электричество из возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия. Это означает, что обратимый топливный элемент не только обеспечивает электричество, когда это необходимо, но также может хранить избыточную энергию в форме водорода, когда технологии возобновляемой энергетики производят больше энергии, чем необходимо в настоящее время. Этот потенциал хранения энергии имеет решающее значение для повышения эффективности и надежности прерывистой возобновляемой энергии.