Использование топливных элементов в энергетике

Топливные элементы - это устройства, которые конвертируют химическую энергию топлива (например, водорода) в электрическую путем проведения электрохимических реакций.

Топливные элементы - это очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ производства энергии. Изначально использовавшиеся только в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все более активно применяются в различных областях - от стационарных электростанций и автономных источников тепло- и электроснабжения зданий до двигателей транспортных средств, источников питания ноутбуков и мобильных телефонов.

Химические реакции в топливных элементах происходят на специальных пористых электродах (аноде и катоде), активированных палладием (или другими металлами платиновой группы). Здесь химическая энергия накопленная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. На аноде происходит окисление водорода, а на катоде кислород (или воздух) восстанавливается.

Катализатор на аноде ускоряет окисление молекул водорода с образованием ионов водорода (H+) и электронов. Ионы водорода (протоны) движутся через мембрану к катоду, где катодный катализатор производит воду из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешние цепи производит электрический ток, который используется различными потребителями.

Эффективность выработки электроэнергии очень высока: система с топливным элементом имеет электрический КПД 47%, а с модификацией паровой турбины общий электрический КПД может достигать 65% Перспектива масштабного использования топливных элементов для комбинированного производства тепла и электроэнергии сопровождается снижением их удельной стоимости.

Возможно использование комбинированных энергетических систем на основе газотурбинных и парогазовых установок, в которых топливная камера заменяется высокотемпературными топливными элементами: жидкооксидными (SOFC) или на основе расплавленных карбонатов (MCFC), работающими при температуре 850°С и 650°С. Уже разработаны прототипы высокотемпературных энергетических топливных элементов мощностью от 200 кВт до 20 МВт с КПД на уровне 60-70%. В будущем планируется достичь КПД на уровне 75% при создании энергетических установок мощностью до 300 МВт и больше.

В результате этого, топливные батареи могут быть применены для увеличения производительности существующих электростанций, а также в качестве перспективных источников генерации энергии.