Топливные ячейки

Характеристики

Топливные ячейки были известны гораздо раньше батарей~--- принципы топливных ячеек были открыты в 1839 году Уильямом Грувом. Он генерировал электричество из реакции водорода и кислорода при образовании воды в процессе, который является обратным электролизу.

Топливные ячейки работают на базовых принципах окисления и восстановления, как и батареи, но реакция имеет место в электролите, а не на поверхности электрода. Топливная ячейка вырабатывает электроэнергию пока получает дополнительное топливо, которое будет замещать уже израсходованное. В топливной ячейке анод обычно погружён в топливо; катод собирает окислитель (обычно атмосферный кислород). Ионнопроводящая мембрана разделяет их, позволяя протекать реакции без взаимодействия с электродами.

Существует шесть основных технологий топливных ячеек, которые в настоящее время используются для различных устройство с разными характеристиками. Некоторые работают при высокой температуре, другие используют редкие электродные материалы или катализаторы, но все они очень сложные.

• Щелочные

• Сернокислотные

• Твёрдооксидные

• Расплавленные карбонатные

• Протоннобменные мембраны

• Метанольные

Эти элементы питания были разработаны для широкого диапазона устройств от питания ноутбуков до тяговых автомобильных устройств и выравнивания нагрузки.

Наиболее широко в настоящее время изучается автомобильный сектор, где в настоящее время используются протоннообменные мембраны. Это обеспечивает высокую эффективность до 60% и плотность мощности в 120 Вт/кг. Метанольные ячейки не используют водородное топливо и лучше подходят для жидкого метанола. Они менее эффективны, но более компактны и больше подходят для потребительских устройств будущего.

Как работает топливная ячейка

Возможности по генерированию энергии топливной ячейки зависят от количества и размеров отдельных элементов и площади поверхности протоннообменной мембраны.

Преимущества

• Топливные ячейки вырабатывают «чистую» энергию, в противовес двигателям внутреннего сгорания, потребляют только водород и не выбрасывают ничего кроме воды

• Требуется заправка только водородом, кислород потребляется из воздуха

• Не требуется перезарядка

• Не требуется времени на перезарядку (работают как «вечные» первичные элементы)

• Ячейка способна работать до тех пор, пока поступает топливо

• Практически достигнутая эффективность ячеек составляет 60%

• Топливные ячейки обладают максимальной эффективностью даже при низкой загрузке (в противовес двигателям внутреннего сгорания)

• Для транспортных устройств топливные ячейки обеспечивают более высокую эффективность работы, чем двигатели внутреннего сгорания

Эффективность

График показывает, что в сравнении с двигателями внутреннего сгорания, общая эффективность от бака до колеса (БК) топливной ячейки более чем компенсирует низкую эффективность от колеса в бак (КБ), эффективность работы от колеса до колеса (КК) приведена с учётом необходимости компрессии водорода или генерирования его в бортовой системе.

Транспортные средства на топливных ячейках не дают значительного прироста эффективности в сравнении с дизельным двигателем. Подробнее смотрите цены ниже.

Недостатки

Дружелюбность к окружающей среде топливных ячеек компенсируется процессами, необходимыми для выработки и доставки водородного топлива. Топливные ячейки могут помочь снизить выбросы от транспорта только в некоторых областях.

На сегодняшний день 98% водорода производится из ископаемого топлива. Согласно исследованиям Эндрю и Джима Освальдов из университета Варвика, для замены бензина и дизеля, используемого в транспорте в Англии на водород, производимый электролизом из воды, потребуется постройка 100 ядерных электростанций или 100 000 ветровых турбин. Если турбины будут построены за пределами побережья, то потребуется полоса шириной 10 километров вокруг всех Британских островов. Если турбины будут расположены на берегу, то понадобится площадь больше, чем Уэльс.

Основной фактор, препятстсвующий широкому распространению водородного топлива это отсутствие подходящей инфраструктуры. Водородное топливо может поставляться в чистой форме в цилиндрах, которые могут быть повторно заполнены на специальных станциях. Несмотря на известные меры безопасности, всё ещё существует суждение большинства общественности о том, что водород небезопасен.

В другом случае водород может генерироваться прямо в бортовой система при необходимости из углеводородных топлив, например, этанола, метанола, бензина или сжатого природного газа в процессе, известном как крекинг. Это решение, тем не менее, не является идеальным: крекинг образует диоксид углерода в качестве выбросов, поэтому мы теряем некоторые преимущества топливных ячеек для окружающей среды. К тому же, это очень дорого и требует установки химического завода на автомобиль, но это всего лишь упрощает инфраструктурную проблему; возможно, проще было бы питать двигатель внутреннего сгорания напрямую.

Даже если не принимать во внимание эти проблемы, существует ещё слишком много причин не использовать топливные ячейки в качестве основного источника мощности:

• Низкое напряжение ячейки 0,6-0,7 В означает, что потребуются пакеты ячеек для достижения достаточного уровня напряжения в 200-300 В для привода тягового двигателя.

• Энергия генерируется по необходимости, но процесс не является обратимым внутри ячейки, поэтому, как первичный источник питания, она не сможет воспринимать энергию регенеративного торможения. Топливная ячейка способна генерировать электрическую энергию, но не может её хранить.

• Топливная ячейка имеет низкий динамический диапазон и длительное время отклика, что может привести к задержкам при необходимости дополнительной мощности. Потребуется дополнительная мощность от батарей или суперконденсаторов для достижения желаемой производительности системы.

• Большинство конструкций требуют для работы высоких температур, чтобы достичь желаемой эффективности. Генерирование с той же эффективностью при низких температурах требует больших количество дорогих катализаторов, например, платины.

• Низкие температуры могут привести к замерзанию электролита.

• Электроды склонны к порче.

• Из-за необходимости редких материалов и сложности конструкции системы всё ещё остаются очень дорогими.

• Теоретически топливная ячейка может быть всем, что необходимо транспортному средству, для питания, но батареи по-прежнему необходимы для работы системы с топливной ячейкой.

Использование батарей

Батареи необходимы в системах с топливными ячейками по следующим причинам:

• Во время запуска для разогрева топливной ячейки и достижения оптимальной рабочей температуры

• Для перекачивания рабочей жидкости через реактор (воздуха, водорода, воды)

• Для обеспечения системы выработки водорода, генерируемого на борту автомобиля

• Для обеспечения кратковременных импульсов мощности для компенсации инерции топливной ячейки при росте потребности в мощности (ускорение)

• Для сбора энергии регенеративного торможения

• Для питания низковольных бортовых электрических систем

Применение

Для автомобильных систем топливные ячейки подходят только в качестве гибридного двигателя для обеспечения основного источника питания со сглаживанием пиков и регенеративного торможения с помощью батарей или конденсаторов. Топливные ячейки могут работать в оптимальном режиме, обеспечивая средний поток мощности, а не пиковый, что позволит значительно снизить цену.

• Топливные ячейки успешно используются в аэрокосмических устройствах

• Простые маломощные демонстрационные наборы доступны для образовательных целей

• Возможно, лучшим применением для топливных ячеек будет выравнивание нагрузки при больших мощностях

• Прототипы для метанольных ячеек с прямым преобразование были выпущены для испытаний для мобильных телефонов и ноутбуков.

Цены

Для правильного сравнения с альтернативными системами, ценами и достоинствами, каждая альтернатива должна быть основана на том же самом топливе. Использование мазута в качестве источника энергии для преобразования «от колеса до колеса» обеспечит рациональное сравнение эффективности различных систем.

Но не только мазут является источником энергии. Электрическая энергия, используемая для питания электромобилей или для производства водорода для топливных ячеек может быть получена из различных источников. Сюда могут входить мазутные, угольные, ядерные или гидростанции, а так же возобновляемые источники энергии, как ветер или солнце. Существует огромное количество вариаций цены и окружающих условий, влияющих на методы при производстве необходимого топлива. Кроме того, многие работающие системы для различных устройств были разработаны десятки лет назад.