В отличие от дизельных двигателей их разработали совсем недавно, в начале XXI века и сегодня эта технология переживает настоящее взрывное развитие. Настало время выяснить из чего они сделаны, что у них внутри и как всё это работает.
Главное отличие топливных элементов от других генераторов заключается в том, что электроэнергия в них вырабатывается посредством электрохимических процессов, а не сжиганием дизельного топлива или бензина. В этом они больше похожи на электрические батареи с той лишь разницей, что химические реагенты поступают из вне топливного элемента тогда, как у электрических батарей они находятся внутри.
Внешне топливный элемент достаточно прост. Это керамическая многослойная пластина размером примерно 10 Х 10 см. каждый слой которой состоит из различных материалов и выполняет определенные функции. Можно выделить три главных слоя - внешние анод и катод, внутренний - твердый электролит. Все слои пористые с большой площадью поверхности. От этого зависит эффективность химической реакции и, соответственно, электрическая мощность.
Во время работы вдоль анода течет поток топлива, а вдоль катода поток воздуха. Молекулы топлива проникают сквозь пористый анод в зону реакции - электролит. С другой стороны через пористый катод поступают молекулы кислорода, вызывая реакцию окисления водорода, которые содержатся в молекулах топлива. При этом молекулы топлива ращепляются, из водорода и кислорода образуется вода, а на аноде и катоде возникает разность потенциалов т.е. небольшое электрическое напряжение.
Следующая картинка хорошо иллюстрирует описанные выше процессы.
Каждая такая пластина способна выработать мощность около 15 Вт. Для получения более высокого напряжения и мощности пластины механически и электрически соединяют в так называемые стеки. В свою очередь, стеки также соединяют друг с другом пока не получат необходимых характеристик.
Существует много типов топливных элементов. Вот основные:
- DMFC - прямой метанольный топливный элемент,
- PEM - с протонообменной мембраной,
- AFC - с щелочным электролитом,
- PAFC - с электролитом на основе фосфорной кислоты,
- MCFC - с электролитом на основе расплава унлерода,
- SOFC - с твердоокисным электролитом.
Каждый тип топливных элементов имеет свой собственный уникальный химический состав слоев, рабочую температуру, состав топлива, чувствительность к загрязнениям. Эксплуатационные характеристики топливных элементов помогают определить область применения. Так более низкая температура PEM и DMFC открывает возможности для использования их в легковых автомобилях и вилочных погрузчиках. Более высокотемпературные SOFC и PAFC используются для стационарной выработки электроэнергии.
Некоторые топливные элементы успели побывать в космосе и даже на Луне. Так все корабли Apollo были оборудованы генераторами на топливных элементах AFC, которые работали на чистом водороде и кислороде.
Другие прекрасно работают на Земле, как, например, реальная генераторная установка Bloom Energy на 200 кВт работающая в Университете штата Делавер (США).
У нас в России всё не так сказачно. В рамках импортзамещения прогресс дошел до разработки турбин работающих на дровах. А как иначе? Газ ведь тянуть на Дальний Восток никто не собирается, дорого это. Так что пока пользуемся тем, что есть - дизельными генераторами.
