9.6: Паливні елементи
- Page ID
- 29323
Компоненти паливних елементів та систем паливних елементів
Паливний елемент - це пристрій, який перетворює хімічну енергію в електричну енергію шляхом окислення палива. Як і акумулятори, всі паливні елементи містять анод, з якого витікають електрони і іони, катод, з якого надходять електрони і іони назустріч, і електроліт. Електроди, як правило, пористі, що полегшує потрапляння палива та окислювача до місця реакції, забезпечує більшу площу поверхні для протікання реакції, забезпечує більший струм через електрод і дозволяє використовувати менше каталізатора [60, гл. 5]. Електроліт може бути рідким або твердим. Приклади рідких електролітів включають розчин гідроксиду калію і розчин фосфорної кислоти [128]. Приклади твердих електролітів включають (\(_2\)ZrO)\(_{0.85}\) (СаО)\(_{0.15}\) і (\(_2\)ZrO)\(_{0.9}\) (Y\(_2\) O\(_3\))\(_{0.1}\) [60]. Також, як і акумулятор, окремі елементи можуть бути складені разом в упаковці. Один паливний елемент може мати напругу осередку в кілька вольт, але кілька елементів можуть бути упаковані разом послідовно, щоб виробляти десятки або сотні вольт від блоку.
| Компоненти паливних елементів |
|---|
| Анод |
| Катод |
| Електроліт |
| Мембрана |
| Каталізатор |
| Паливо |
| Окислювач |
| Компоненти системи паливних елементів |
|---|
| Паливний процесор |
| Проточні пластини |
| Система рекуперації тепла |
| Інвертор |
| Інша електроніка |
Крім цих компонентів, паливні елементи часто містять тонку полімерну мембрану, а електроди паливних елементів часто покриті каталізатором, який прискорює хімічну реакцію. Прикладом матеріалу, який використовується для виготовлення мембрани, є шар полістиролу розміром 0,076 см [60, гл. 10]. Іншим прикладом мембрани є полібензимідазол, що містить фосфорну кислоту [128, гл. 37]. Мембрани пропускають іони, але не паливо і окислювач проходити через [60, гл. 10]. Крім вибіркового пропускання іонів, мембрани повинні бути хімічно стійкими, щоб не руйнуватися в присутності часто кислого або лужного електроліту, повинні бути електричними ізоляторами, і повинні бути механічно стійкими [60, гл. 10]. Корисний каталізатор прискорює реакцію на електродах. Крім того, хороший каталізатор не повинен розчинятися або окислюватися в присутності електроліту, палива і окислювача [60, гл. 8]. Додатково вона повинна лише каталізувати потрібну реакцію, а не інші реакції [60, гл. 8]. Приклади використовуваних каталізаторів включають платину, нікель, ацетилацетон і вольфрам натрію бронзу Na\(_x\) WO\(_3\) з\(0.2 < x < 0.93\), [60, гл. 6].
Під час роботи паливо і окислювач безперервно подаються в пристрій. Паливо може бути у вигляді такого газу, як водень або газ чадного газу, воно може бути у вигляді рідини типу метанолу або аміаку, а може бути у вигляді твердого речовини типу вугілля [60, гл. 10]. Як окислювач зазвичай використовується кисневий газ або повітря, що містить кисень [60, гл. 10].
Додаткові хімічні, механічні, теплові та електричні компоненти часто включаються в цілу систему паливних елементів. Деякі системи паливних елементів включають в себе паливний процесор, який розбиває паливо для перетворення його в придатну для використання форму і який відфільтровує домішки [141]. Наприклад, паливний переробник може приймати вугілля і виробляти менші вуглеводні, які використовуються в якості палива. Також система паливних елементів може містити проточні пластини, які направляють паливо і окислювач до електродів і відводять відходи і тепло [141]. Деякі паливні елементи включають системи рекуперації тепла, вбудовані в термоелектричні пристрої, які перетворюють частину виробленого тепла назад в електроенергію. Для систем, призначених для підключення до електричної мережі, включаються інвертори, які перетворюють потужність постійного струму з паливного елемента в змінний. Система паливних елементів також зазвичай включає в себе систему управління, яка регулює потік палива і окислювача, контролює температуру пристрою і управляє його загальною роботою [128, гл. 37].
Види і приклади
Паливні елементи можуть класифікуватися по-різному. Один із способів - робоча температура: низька\(25-100 ^{\circ}\) C, середня\(100-500 ^{\circ}\) C, висока\(500-1000 ^{\circ}\) C і дуже висока над\(1000 ^{\circ}\) C [60, гл. 1]. Хімічні реакції зазвичай відбуваються швидше при більш високих температурах. Однак однією з проблем проектування високотемпературних паливних елементів є те, що повинні бути обрані матеріали, здатні витримувати високі температури без плавлення або корозії [60, гл. 2].
Як і у випадку з акумуляторами, ще один спосіб класифікації паливних елементів - це первинні або вторинні [60, гл. 1]. У первинному паливному елементу, який також називають нерегенеративним, реагенти використовуються один раз, потім викидаються. У вторинних паливних елементах, які також називають регенеративними, реагенти використовуються неодноразово. Зовнішнє джерело енергії необхідне для оновлення палива для повторного використання, і це джерело може подавати енергію електрично, термічно, фотохімічно або радіохімічно [60, с. 515]. Як первинні, так і вторинні паливні елементи виготовлені з різноманітним органічним та неорганічним паливом [60, с. 515].
Інший спосіб класифікації паливних елементів - прямий або непрямий [60, гл. 1,7] [128, гл. 37]. У прямому паливному елементу паливо використовується як є. У непрямому паливному елементу паливо обробляється спочатку всередині системи. Наприклад, непрямий паливний елемент може приймати вугілля і використовувати фермент для його розщеплення на більш дрібні вуглеводні перед реакцією клітини [60, гл. 7].
Сімейства паливних елементів часто розрізняють за типом використовуваного електроліту. Приклади включають лужні, які використовують розчин гідроксиду калію як електроліт, фосфорну кислоту, розплавлений карбонат та твердий оксид, які використовують тверді керамічні електроліти. В інших випадках паливні елементи класифікуються за типом мембрани або типом використовуваного палива. Два найбільш поширені типи паливних елементів - це протоннообмінні мембранні паливні елементи і прямі метанольні паливні елементи [128, гл. 37]. Паливні елементи протонної мембрани використовують в якості палива водневий газ, кисень з повітря як окислювач, твердий електроліт і платиновий каталізатор [128] [141]. Вони працюють при низькій температурі і використовуються в автобусах, аерокосмічних додатках, а також для резервного живлення. Прямі метанольні паливні елементи використовують метанол як паливо. Вони також часто працюють при низьких або середніх температурах [128] і використовуються для подібних застосувань.
Практичні міркування паливних елементів
Історія паливних елементів сягає майже такою ж довгою, як і історія акумуляторів. Поняття паливного елемента датується приблизно 1802 роком [3, с. 2,222] [60, с. v]. Робочі паливні елементи були продемонстровані в 1830-х роках [3, с. 222] [60, с. v], а перший практичний пристрій було побудовано в 1959 році, оскільки чисті матеріали стали комерційно доступними [5, с. 46] [60, p. v, 26]. Хоча як акумулятори, так і паливні елементи є комерційно доступними, акумулятори знайшли будинок майже в кожному автомобілі, комп'ютері та електронних пристроях, тоді як паливні елементи є більш спеціалізованими продуктами. Існує ряд обмежень технології паливних елементів, які перешкоджали більш широкому використанню. Одним з обмежень є їх вартість. Деякі паливні елементи використовують в якості каталізатора платину, а платина коштує недешево. Деякі клітини, які не використовують платинові каталізатори, мають проблему, що їх ефективність знижується в присутності окису вуглецю або вуглекислого газу, які зазвичай зустрічаються в повітрі. Газ водню або метан використовуються як паливо в деяких елементах, і доставка та зберігання цих видів палива створюють проблеми. Крім того, деякі з більш ефективних систем великі і вимагають фіксованого простору, повітряного або водяного охолодження та додаткової інфраструктури, тому ці пристрої не піддаються портативним додаткам.
Паливні елементи мають переваги, які призводять до корисних застосувань. Багато паливних елементів не виробляють шкідливих виходів. Якщо в якості палива використовується водневий газ, а кисень з повітря використовується як окислювач, єдиним побічним продуктом є чиста вода. Важко знайти пристрій перетворення енергії, який виробляє електроенергію і легше для навколишнього середовища, ніж цей тип паливних елементів. Ліва частина рис. \(\PageIndex{1}\)показує фотографію паливного елемента протоннообмінної мембрани. Права частина рис. \(\PageIndex{1}\)показує зображення води, що утворилася в процесі її експлуатації. Зображення було отримано методом нейтронної рентгенографії, і воно було зроблено в Національному інституті стандартів і технологій Центрі нейтронних досліджень в Гейтерсбурзі, штат Меріленд. Ці цифри використовуються з дозволу від [150]. У деяких додатках виробництво води є головною перевагою. Космічні апарати НАСА використовували паливні елементи для виробництва як електроенергії, так і чистої води з часів проектів Близнюків і Аполлона, що датуються 1960-х роками [3, с. 250]. Вони також використовуються для виробництва електроенергії та води на військових підводних човнях [3, с. 250]. Ще однією перевагою паливних елементів є те, що вони можуть бути більш ефективними, ніж інші пристрої, які виробляють електроенергію. Високотемпературні та більш високі енергоблоки можуть мати ККД до 65% [128]. Оскільки деякі з найвищих ККД досягаються в пристроях з більш високою температурою та більшою потужністю, паливні елементи знайшли нішу у великих та стаціонарних додатках, що генерують кіловати або мегавати електроенергії.
