Сравнительный анализ различных видов топливных элементов

1. PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – топливный элемент с полимерной мембраной. В качестве электролита в таких топливных элементах используется полимерная мембрана толщиной примерно в 2–7 листов обычной бумаги. Восстановителем выступает чистый водород, причем максимально допустимая доля примесей окиси углерода – 10–100 мг/кг. Топливные элементы PEM обладают высоким выходом мощности – 0.7 В на ячейку мембраны. Среди всех топливных элементов PEMFC нашли сегодня наибольшее применение: они используются в транспортных приложениях (почти 100% всех автомобилей, работающих на водороде), в качестве первичных и резервных источников энергии, в портативной электронике. В настоящее время технология активно развивается под покровительством автомобильной отрасли. В 2005 году около 75% всех стационарных установок (мощностью до 10 кВт), работающих на водороде были построены именно по технологии PEMFC. Крупные установки умеют мощность до 300 кВт (General Motors). Некоторые производители: Ballard Power Systems (Канада),FCFCP (Китай), Cellkraft AB (Швеция), European fuel cell GmbH (Германия), Heliocentris Energiesysteme GmbH (Германия), Honda (Япония), h-tec Hydrogen Energy Systems (Германия), IdaTech (США), New Japan Eco-System Corporation (Япония), Plug Power Inc. (США), Protonex Technology Corporation (США), UTC Power (США). 

2.DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – топливные элементы с прямым окислением метанола. Первоначально в качестве основной жидкости предполагалось использовать метанол и топливные элементы получили название DMFC. ТЭ этого класса являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. В них используется тот же электролит, что и в наиболее распространенных PEMFC, но в качестве топлива используется водный раствор метилового спирта (метанол), а не водород в чистом виде.  Безусловное преимущество DMFC по сравнению с PEMFC – возможность использования метанола в жидком виде, который более удобно хранить и перевозить, чем водород. В отличие от других технологий, в которых используется жидкость вместе газа, в DMFC нет необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода и осуществления процесса «реформинга» – выделение водорода из метанола происходит непосредственно на электролите.  Недостатком DMFC по сравнению с PEMFC является более высокая температура функционирования (120 °С), которая, однако, не является достаточной для эффективного химического преобразования. В связи с этим возникает необходимость в использовании дорогостоящих катализаторов на основе платины, что неизбежно приводит увеличению стоимости ТЭ. Технология DMFC уже на начальной стадии развития столкнулась с двумя препятствиями, которые представляются непреодолимыми. Помимо уже упомянутой дороговизны катализаторов, существует проблема использования метанола в качестве топлива. Метанол (древесный спирт) является ядовитым веществом: доза в 10 грамм может привести к потере зрения, а в 30 грамм – к летальному исходу. В результате, разработчики постепенно переходят к другим водородосодержащим жидкостям. Одним из наиболее популярных направлений исследований считается использование в качестве топлива борогидрида натрия, а в качестве электролита – щелочи (технология AFC). 

3.AFC (Alkaline Fuel Cell) – щелочные топливные элементы. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) или его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель. Щелочные элементы значительно (примерно на порядок) уступают PEMFC по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. В традиционных AFC в качестве топлива должен использоваться чистый водород, в качестве окислителя – чистый кислород. В этом и состоит их основной недостаток, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи. Преимуществами всего класса AFC является низкая себестоимость их производства, возможность использования более дешевых никелевых и серебряных катализаторов, а также абсолютная экологическая чистота горячей воды (питьевая), получаемой в качестве отходов. До последнего времени технология прямого окисления метанола считалась самой перспективной для питания портативной микроэлектроники. Однако наметившиеся проблемы в сегменте DMFC (токсичность метанола и высокая стоимость катализаторов) стимулировали развитие исследований в области технологии AFC. Сегодня выделяют отдельное сложившееся в рамках AFC направление – DBFC (Direct borohydride fuel cells) – топливные элементы с прямым окислением борогидрида натрия (NaBH4).По сравнению с метанолом, борогидрид натрия и тетраборат натрия менее токсичны, борогидрид имеет большую плотность энергии. Кроме того, его использование позволяет сократить затраты на катализаторы из благородных металлов. Компании-производители: Astris Energi Inc, (Канада), UTC Power (США). 

4.PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – топливный элемент, в котором в качестве электролита используется жидкая фосфорная кислота. PAFC применяются на крупных стационарных объектах и служат для производства как электроэнергии, так и теплоты. Работают эти ТЭ на водороде, однако, требования по его чистоте значительно менее строгие, чем в случае использования PEMFC. В большинстве случаев водород получают из природного газа или биогаза. Окислительно-восстановительный процесс протекает при температурах 150–220ºС. Эффективность процесса выработки электроэнергии оценивается в 37–42% и 85% при использовании отводимой тепловой энергии. Сегмент PAFC считается самым «зрелым» среди всех технологий топливных элементов. PAFC стабильно развивается, благодаря возможности использовать водород с примесями. Суммарная мощность всех мировых установок, функционирующих на основе жидкой фосфорной кислоты, превышает 75 МВт. Инновационным можно считать несколько опытов применения PAFC в автомобильных приложениях. Мировым лидером по использованию технологии считается американская компания UTC Power (США), работающая также с другими технологиями (PEMFC, MCFC). Среди ведущих производителей стоит отметить компании Южно-Азиатского региона: Fuji Electric (Япония) и Korea Gas (Корея).  

5.SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – топливный элемент с твердым керамическим электролитом. Отличие от прежде рассмотренных видов заключается в высоких температурах реакции (650–1000 ºС) и разнообразии применяемого топлива: природный газ, водород, пропан, биогаз, другие углеродосодержащие топливные элементы. КПД электрохимического преобразования – 50%, с учетом тепловой энергии – до 80%. Основной сферой применения этой технологии считается производство источников электрической и тепловой энергии для различных жилых, административных и прочих помещений. Некоторые компании ведут разработки систем для промышленного использования. SOFC широко применяются в качестве первичных и портативных резервных источниках энергии большой емкости. В последнее время ведутся разработки по использованию SOFC в автомобильной промышленности, однако, в отличие от PEMFC речь идет только о вспомогательных системах, а не о двигателе.  Совместно с PEMFC технология активно используется в малых стационарных приложениях – 10–15% производимых установок. В крупных стационарных приложениях есть опыт производства коммерческих установок мощностью 1 МВт.  Некоторые компании-производители: Acumentrics (США), Ceramic Fuel Cells Limited (CFCL, Австралия), Mesoscopic Devices LLC (США), NanoDynamics Energy, Inc. (США), Rolls-Royce (США), Siemens Westinghouse (Германия). 

6.MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – топливный элемент на основе расплавленного карбоната (соли натрия или лития). Топливные элементы данного типа также функционируют при высоких температурах – 600–700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения – крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива – только электрический КПД до 60 %. Широкое промышленное использование технологии обуславливают три фактора: электрохимические процессы в MCFC не требуют использования дорогих катализаторов; в качестве топлива может использоваться целый ряд натуральных и синтетических топлив; высокие температуры протекания процессов не требуют наличия дополнительного реформера для преобразования топлива.  Недостаток MCFC заключается в том, что они не могут работать на чистом водороде, а высокие температуры и химические реакции могут привести к коррозии и ускорить процесс износа элементов конструкции.  Некоторые компании-производители: Ansaldo Fuel Cells SpA (Италия), FuelCell Energy (США), GenCell Corporation (США), MTU CFC Solutions GmbH (Германия).   

7.MAFC (Metal Air Fuel Cells) – элементы на твердом топливе. В качестве электролита в этих ТЭ используется гидроксид калия (КОН), а топливом могут служить различные металлы: алюминий, магний, кальций, цинк, железо. Предполагаемые сферы применения технологии – малые стационарные объекты и автомобилестроение. На сегодняшний день данное направление остается скорее теоретическим, поскольку ТЭ на твердом топливе практически не выпускаются.  В заключении приведем сводную таблицу по сравнению характеристик различных видов топливных элементов.