Òîïëèâíûé ýëåìåíò, èëè ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ãåíåðàòîð, -ýòî óñòðîéñòâî, êîòîðîå ïðåîáðàçóåò õèìè÷åñêóþ ýíåðãèþ òîïëèâà â ýëåêòðè÷åñêóþ â ïðîöåññå ýëåêòðîõèìè÷åñêîé ðåàêöèè íàïðÿìóþ, â îòëè÷èå îò òðàäèöèîííûõ òåõíîëîãèé, ïðè êîòîðûõ èñïîëüçóåòñÿ ñæèãàíèå òâ¸ðäîãî, æèäêîãî èëè ãàçîîáðàçíîãî òîïëèâà.
Òîïëèâíûé ýëåìåíò (ÒÝ) íàïîìèíàåò îáû÷íóþ ãàëüâàíè÷åñêóþ áàòàðåþ - ñ òîé ðàçíèöåé, ÷òî áàòàðåÿ ðàñõîäóåò çàïàñ¸ííóþ â íåé ýíåðãèþ, à ÒÝ ïîñòîÿííî ïîäïèòûâàåòñÿ òîïëèâîì èçâíå.
Ïðèíöèï äåéñòâèÿ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ áûë îòêðûò åù¸ â 1839 ã. àíãëèéñêèì ó÷¸íûì Óèëüÿìîì Ãðîóâîì. Îí îáíàðóæèë, ÷òî ïðîöåññ ýëåêòðîëèçà âîäû, òî åñòü å¸ ðàçëîæåíèÿ íà âîäîðîä è êèñëîðîä ïîñðåäñòâîì ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà, îáðàòèì. Îêàçàëîñü, ÷òî âîäîðîä è êèñëîðîä ìîæíî îáúåäèíÿòü â ìîëåêóëû âîäû áåç ãîðåíèÿ, íî ñ âûäåëåíèåì òåïëà è ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Ïðèáîð, â êîòîðîì óäàëîñü ïðîâåñòè òàêóþ ðåàêöèþ, Ó Ãðîóâ íàçâàë ãàçîâîé áàòàðååé (gas battery) - ýòî è áûë ïåðâûé òîïëèâíûé ýëåìåíò.
 êà÷åñòâå òîïëèâà äëÿ ÒÝ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ íå òîëüêî ÷èñòûé âîäîðîä, íî è âîäîðîäîñîäåðæàùåå ñûðü¸, íàïðèìåð ïðèðîäíûé ãàç, àììèàê, ìåòàíîë èëè áåíçèí.  ýòèõ ñëó÷àÿõ äëÿ ïðåäâàðèòåëüíîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ñûðüÿ â âîäîðîä ïðèìåíÿåòñÿ õèìè÷åñêèé ïðîöåññ, íàçûâàåìûé êàòàëèòè÷åñêèì ðèôîðìèíãîì. Èñòî÷íèêîì íåîáõîäèìîãî äëÿ ðåàêöèè êèñëîðîäà ñëóæèò âîçäóõ. Åäèíñòâåííûé ïðîäóêò ðåàêöèè ÷èñòîãî âîäîðîäà ñ êèñëîðîäîì - ýòî âîäÿíîé ïàð. Ïðè ýòîì â àòìîñôåðó íå âûáðàñûâàþòñÿ íèêàêèå ãàçû, âûçûâàþùèå çàãðÿçíåíèå âîçäóøíîé ñðåäû. Åñëè æå â êà÷åñòâå òîïëèâà èñïîëüçóåòñÿ, ñêàæåì, ïðèðîäíûé ãàç (ìåòàí), ïîáî÷íûìè ïðîäóêòàìè ðåàêöèè áóäóò è äðóãèå ãàçû, â ÷àñòíîñòè îêñèäû óãëåðîäà è àçîòà, îäíàêî â çíà÷èòåëüíî ìåíüøåì êîëè÷åñòâå, ÷åì ïðè ñæèãàíèè òàêîãî æå êîëè÷åñòâà ìåòàíà.
Ïðèíöèï äåéñòâèÿ
Ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ òîïëèâíîãî ýëåìåíòà íà ïðèìåðå ïðîñòåéøåãî åãî âèäà ñ ïðîòîíîîáìåííîé ìåìáðàíîé (Proton Exchange Membrane, PEM). Òàêîé ýëåìåíò ñîñòîèò èç ïîëèìåðíîé ìåìáðàíû, ïîìåùåííîé ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì, ñíàáæ¸ííûìè êàòàëèçàòîðàìè. Îáû÷íî ïðîòîíîîáìåííàÿ ìåìáðàíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïë¸íêó èç ïîëèìåðà, â ñòðóêòóðå êîòîðîãî ñî÷åòàþòñÿ ãèäðîôîáíàÿ îñíîâíàÿ öåïü è áîêîâûå ôðàãìåíòû, ñîäåðæàùèå êèñëîòíûå ãðóïïû (ãèäðîôèëüíàÿ ÷àñòü). Åñëè â ìåìáðàíå ïðèñóòñòâóåò âîäà, îíà ñîáðàåòñÿ âáëèçè êèñëîòíûõ ãðóïï è îáðàçóåò ãèäðàòíûå îáëàñòè (êàïåëüêè) ñ ëèíåéíûì ðàçìåðîì ïîðÿäêà 1 íì. Èìåííî â ýòèõ îáëàñòÿõ è îáðàçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ãèäðàòèðîâàííûå ôîðìû ïðîòîíîâ, ñïîñîáíûå ñâîáîäíî ïåðåìåùàòüñÿ.
Ãèäðîôîáíàÿ æå ÷àñòü ïîëèìåðà ñîäåðæèò àëèôàòè÷åñêèå, àðîìàòè÷åñêèå, ôòîðèðîâàííûå èëè íåôòîðèðîâàííûå ôðàãìåíòû è îáðàçóåò ïðî÷íûé êàðêàñ, îáåñïå÷èâàþùèé ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü ìåìáðàíû.
Âîäîðîä ïîñòóïàåò íà àíîä òîïëèâíîãî ýëåìåíòà, ãäå åãî àòîìû ðàçëàãàþòñÿ íà ýëåêòðîíû è ïðîòîíû:
H2 = 2e- + 2H+
Ýëåêòðîíû ïîñòóïàþò âî âíåøíþþ öåïü, ñîçäàâàÿ ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Ïðîòîíû, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðîõîäÿò ñêâîçü ïðîòîíîîáìåííóþ ìåìáðàíó íà êàòîäíóþ ñòîðîíó, ãäå ñ íèìè ñîåäèíÿþòñÿ êèñëîðîä è ýëåêòðîíû èç âíåøíåé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ñ îáðàçîâàíèåì âîäû:
4H+ + 4e- + O2 = 2H2O
Ïîáî÷íûìè ïðîäóêòàìè ðåàêöèè ÿâëÿþòñÿ òåïëî è âîäÿíîé ïàð. Àíîä è êàòîä â PEM-ýëåìåíòå èçãîòîâëåíû èç ïîðèñòîãî ìàòåðèàëà, îáû÷íî - ñìåñè ÷àñòèö óãëåðîäà è ïëàòèíû. Ïîðèñòàÿ ñòðóêòóðà ýëåêòðîäîâ íåîáõîäèìà äëÿ ñâîáîäíîãî ïðîõîæäåíèÿ ñêâîçü íèõ ðåàêöèîííûõ ãàçîâ. Ïëàòèíà ñëóæèò êàòàëèçàòîðîì, ñïîñîáñòâóÿ ïðîòåêàíèþ ðåàêöèè. Àíîä è êàòîä ïîìåùåíû ìåæäó äâóìÿ ìåòàëëè÷åñêèìè ïëàñòèíàìè, êîòîðûå ïîäâîäÿò ê ýëåêòðîäàì âîäîðîä è êèñëîðîä, à îòâîäÿò òåïëî, âîäó è ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ.
Êîëè÷åñòâî ïðîèçâîäèìîé ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè çàâèñèò îò òèïà ÒÝ, åãî ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ, òåìïåðàòóðû, äàâëåíèÿ ãàçà. Íàïðÿæåíèå, ñîçäàâàåìîå åäèíè÷íûì òîïëèâíûì ýëåìåíòîì, îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 1,1 Â. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ íåîáõîäèìîé âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ òîïëèâíûå ýëåìåíòû ñîåäèíÿþò ïîñëåäîâàòåëüíî â áàòàðåè, à äëÿ ïîëó÷åíèÿ íåîáõîäèìîãî òîêà áàòàðåè ÒÝ âêëþ÷àþò ïàðàëëåëüíî. Òàêèå áàòàðåè âìåñòå ñ ñèñòåìàìè ãàçîðàñïðåäåëåíèÿ è òåðìîðåãóëèðîâàíèÿ ìîíòèðóþò â åäèíûé êîíñòðóêòèâíûé áëîê, íàçûâàåìûé ýëåêòðîõèìè÷åñêèì ãåíåðàòîðîì.
Õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ â ÒÝ äðóãèõ òèïîâ (íàïðèìåð, ñ êèñëîòíûì ýëåêòðîëèòîì) èäåíòè÷íà ðåàêöèè â òîïëèâíîì ýëåìåíòå ñ ïðîòîíîîáìåííîé ìåìáðàíîé.  ëþáîì ÒÝ ÷àñòü ýíåðãèè õèìè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ âûäåëÿåòñÿ â âèäå òåïëà. Ðàçìûêàíèå âíåøíåé öåïè èëè ïðåêðàùåíèå äâèæåíèÿ èîíîâ âîäîðîäà îñòàíàâëèâàåò õèìè÷åñêóþ ðåàêöèþ.
Òèïû òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ
 íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî íåñêîëüêî òèïîâ ÒÝ, ðàçëè÷àþùèõñÿ ñîñòàâîì èñïîëüçóåìîãî ýëåêòðîëèòà è äðóãèìè ïàðàìåòðàìè. Êðàòêî ðàññìîòðèì ÷åòûðå òèïà ÒÝ, êîòîðûå ïîëó÷èëè íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå.
ÒÝ ñ ïðîòîíîîáìåííîé ìåìáðàíîé (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) ôóíêöèîíèðóþò ïðè îòíîñèòåëüíî íèçêèõ ðàáî÷èõ òåìïåðàòóðàõ (60-160°C). Îíè îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé óäåëüíîé ìîùíîñòüþ, ïîçâîëÿþò áûñòðî ðåãóëèðîâàòü âûõîäíóþ ìîùíîñòü, ìîãóò áûòü áûñòðî âêëþ÷åíû. Íåäîñòàòîê ýëåìåíòîâ ýòîãî òèïà - âûñîêèå òðåáîâàíèÿ ê êà÷åñòâó òîïëèâà, ïîñêîëüêó åãî çàãðÿçíåíèÿ ìîãóò âûâåñòè èç ñòðîÿ ìåìáðàíó. Íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü ÒÝ ñîñòàâëÿåò 1-100 êÂò, ÊÏÄ ïî âûõîäó ýëåêòðîýíåðãèè 30-35%, ñóììàðíûé ÊÏÄ (ñ ó÷¸òîì îòäà÷è òåïëà) - äî 70%.
ÒÝ íà îñíîâå îðòîôîñôîðíîé êèñëîòû (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) èìåþò äèàïàçîí ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð 150-200°C. Îñíîâíàÿ îáëàñòü èõ ïðèìåíåíèÿ - àâòîíîìíûå èñòî÷íèêè òåïëî- è ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ñðåäíåé ìîùíîñòè (äî 500 êÂò).  êà÷åñòâå ýëåêòðîëèòà â ýòèõ ÒÝ èñïîëüçóåòñÿ ðàñòâîð îðòî-ôîñôîðíîé êèñëîòû H3PO4. Ýëåêòðîäû âûïîëíåíû èç áóìàãè, ïîêðûòîé óãëåðîäîì, â êîòîðîì ðàññåÿí ïëàòèíîâûé êàòàëèçàòîð.
Ýëåêòðè÷åñêèé ÊÏÄ PAFC-ýëåìåíòîâ ñîñòàâëÿåò 37-42%. Îäíàêî, ïîñêîëüêó ýòè ÒÝ ðàáîòàþò ïðè äîñòàòî÷íî âûñîêîé òåìïåðàòóðå, èìååòñÿ âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü îáðàçóþùèéñÿ ïàð äëÿ äîïîëíèòåëüíîé ãåíåðàöèè.  ýòîì ñëó÷àå îáùèé ÊÏÄ ìîæåò äîñòèãàòü 90%.
ÒÝ íà îñíîâå ðàñïëàâëåííîãî êàðáîíàòà (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) ôóíêöèîíèðóþò ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ -600-700°C. Ýòî ïîçâîëÿåò íåïîñðåäñòâåííî èñïîëüçîâàòü âîäîðîäñîäåðæàùåå ñûðü¸ - áåç ïðèìåíåíèÿ îòäåëüíîãî ðèôîðìåðà. Òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ, ïîëó÷èâøèé íàçâàíèå «âíóòðåííèé ðèôîðìèíã», ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óïðîñòèòü êîíñòðóêöèþ ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà.
 ÒÝ ýòîãî òèïà ýëåêòðîëèò ñîñòîèò èç ñîëåé êàðáîíàòà êàëèÿ è êàðáîíàòà ëèòèÿ, íàãðåòûõ ïðèìåðíî äî 650°C.  ýòèõ óñëîâèÿõ ñîëè íàõîäÿòñÿ â ðàñïëàâëåííîì ñîñòîÿíèè. Íà àíîäå âîäîðîä âçàèìîäåéñòâóåò ñ èîíàìè (CO3)2- ñ îáðàçîâàíèåì âîäû è äèîêñèäà óãëåðîäà, âûñâîáîæäàÿ ýëåêòðîíû, êîòîðûå íàïðàâëÿþòñÿ âî âíåøíþþ öåïü, à íà êàòîäå êèñëîðîä âçàèìîäåéñòâóåò ñ äèîêñèäîì óãëåðîäà è ýëåêòðîíàìè èç âíåøíåé öåïè, âíîâü îáðàçóÿ èîíû (CO3)2-.
ÒÝ íà îñíîâå ðàñïëàâëåííîãî êàðáîíàòà òðåáóþò çíà÷èòåëüíîãî âðåìåíè íà çàïóñê è íå ïîçâîëÿþò îïåðàòèâíî ðåãóëèðîâàòü âûõîäíóþ ìîùíîñòü, ïîýòîìó îñíîâíàÿ îáëàñòü èõ ïðèìåíåíèÿ - êðóïíûå ñòàöèîíàðíûå èñòî÷íèêè òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè.
Îäíàêî îíè îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ ïðåîáðàçîâàíèÿ òîïëèâà - ýëåêòðè÷åñêèé ÊÏÄ äîõîäèò äî 60%, à îáùèé - äî 85%. Òâ¸ðäîîêñèäíûå ÒÝ (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) õàðàêòåðèçóþòñÿ ïðîñòîòîé êîíñòðóêöèè è ôóíêöèîíèðóþò ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ: 700-1000°C. Òàêèå òåìïåðàòóðû ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü îòíîñèòåëüíî «ãðÿçíîå», ñëàáî î÷èùåííîå òîïëèâî. Êàê è ó òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ íà îñíîâå ðàñïëàâëåííîãî êàðáîíàòà, èõ îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ - êðóïíûå ñòàöèîíàðíûå èñòî÷íèêè òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè.
Òâ¸ðäîîêñèäíûå ÒÝ êîíñòðóêòèâíî îòëè÷àþòñÿ îò ÒÝ íà îñíîâå òåõíîëîãèé PAFC è MCFC. Àíîä, êàòîä è ýëåêòðîëèò çäåñü èçãîòîâëåíû èç ñïåöèàëüíûõ ñîðòîâ êåðàìèêè. ×àùå âñåãî â êà÷åñòâå ýëåêòðîëèòà èñïîëüçóåòñÿ ñìåñü îêñèäà öèðêîíèÿ è îêñèäà êàëüöèÿ, íî ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ è äðóãèå îêñèäû. Ýëåêòðîëèò îáðàçóåò êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó, ïîêðûòóþ ñ îáåèõ ñòîðîí ïîðèñòûì ýëåêòðîäíûì ìàòåðèàëîì. Êîíñòðóêòèâíî òàêèå ýëåìåíòû âûïîëíÿþòñÿ â âèäå òðóáîê èëè ïëîñêèõ ïëàò, ÷òî ïîçâîëÿåò â èõ ïðîèçâîäñòâå èñïîëüçîâàòü òåõíîëîãèè ýëåêòðîííîé ïðîìûøëåííîñòè. Áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî òâ¸ðäîîêñèäíûå ÒÝ ìîãóò ðàáîòàòü ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ, èõ âûãîäíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ïðîèçâîäñòâà è ýëåêòðè÷åñêîé, è òåïëîâîé ýíåðãèè.
Ïðè âûñîêèõ ðàáî÷èõ òåìïåðàòóðàõ íà êàòîäå îáðàçóþòñÿ èîíû êèñëîðîäà, êîòîðûå ìèãðèðóþò ÷åðåç êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó íà àíîä, ãäå âçàèìîäåéñòâóþò ñ èîíàìè âîäîðîäà, îáðàçóÿ âîäó è âûñâîáîæäàÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû. Ïðè ýòîì âîäîðîä âûäåëÿåòñÿ èç ïðèðîäíîãî ãàçà íåïîñðåäñòâåííî â ýëåìåíòå, òî åñòü íåò íåîáõîäèìîñòè â îòäåëüíîì ðèôîðìåðå.
Î ïðàêòè÷åñêîì ïðèìåíåíèè ÒÝ, èõ äîñòîèíñòâàõ è íåäîñòàòêàõ ìû ïîãîâîðèì â ïóáëèêàöèè, êîòîðàÿ ïëàíèðóåòñÿ â îäíîì èç íîìåðîâ ãàçåòû «Ýíåðãîâåêòîð».
- Äàòà ïóáëèêàöèè: 26.12.2012
- 3951