Топливные элементы

Топливный элемент использует химическую энергию водорода или другого топлива для чистого и эффективного производства электроэнергии. Если водород является топливом, единственными продуктами являются электричество, вода и тепло. Топливные элементы уникальны с точки зрения разнообразия их потенциального применения; они могут использовать широкий спектр видов топлива и сырья и могут обеспечивать питанием такие большие системы, как коммунальная электростанция, и такие маленькие, как портативный компьютер (подробнее - https://montrans.ru/uslugi/toplivny-balans).

Зачем изучать топливные элементы

Топливные элементы могут использоваться в самых разных областях, обеспечивая электроэнергией приложения в различных секторах, включая транспорт, промышленные/коммерческие/жилые здания и долговременное хранение энергии для сети в реверсивных системах. Топливные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями, основанными на сжигании, которые в настоящее время используются во многих электростанциях и транспортных средствах. Топливные элементы могут работать с более высокой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания, и могут преобразовывать химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с эффективностью, превышающей 60%. Топливные элементы имеют более низкие или нулевые выбросы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Водородные топливные элементы выделяют только воду, решая критические климатические проблемы, поскольку нет выбросов углекислого газа. Также отсутствуют загрязнители воздуха, создающие смог и вызывающие проблемы со здоровьем в месте эксплуатации. Топливные элементы работают бесшумно, так как в них мало движущихся частей.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы работают как батареи, но они не разряжаются и не нуждаются в подзарядке. Они производят электричество и тепло до тех пор, пока подается топливо. Топливный элемент состоит из двух электродов — отрицательного электрода (или анода) и положительного электрода (или катода), зажатых вокруг электролита. К аноду подается топливо, например водород, а к катоду – воздух. В водородном топливном элементе катализатор на аноде разделяет молекулы водорода на протоны и электроны, которые идут разными путями к катоду. Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая поток электричества. Протоны мигрируют через электролит к катоду, где они объединяются с кислородом и электронами с образованием воды и тепла. Посмотрите анимацию топливных элементов Управления технологий водорода и топливных элементов, чтобы увидеть, как работает топливный элемент.

Цели исследований и разработок

Министерство энергетики тесно сотрудничает со своими национальными лабораториями, университетами и отраслевыми партнерами, чтобы преодолеть критические технические барьеры на пути разработки топливных элементов. Стоимость, производительность и долговечность по-прежнему являются ключевыми проблемами в отрасли топливных элементов. Просмотрите соответствующие ссылки, которые предоставляют подробную информацию о деятельности топливных элементов, финансируемой Министерством энергетики.

Стоимость. Исследования, разработка и демонстрация сосредоточены на разработке недорогих блоков топливных элементов и баланса компонентов установки, а также передовых подходов к крупносерийному производству для снижения общей стоимости системы. Платина представляет собой один из самых больших компонентов стоимости топливного элемента с мембраной из полимерного электролита, работающего на водороде, поэтому особое внимание уделяется подходам, которые повысят активность и коэффициент использования, а также снизят содержание существующих катализаторов из металлов платиновой группы и сплавов, а также а также подходы катализатора без МПГ для долгосрочного применения.

Производительность. Чтобы повысить эффективность и производительность топливных элементов, фокусируется на инновационных материалах и стратегиях интеграции. Усилия включают разработку электролитов для ионообменных мембран с повышенной эффективностью и долговечностью при сниженной стоимости; совершенствование мембранно-электродных узлов с высокой удельной мощностью за счет интеграции современных компонентов МЭБ; моделирование для понимания конструкции системы и условий эксплуатации; и разработка стеков с высокой эффективностью при номинальной мощности и высокопроизводительных компонентов противовыбросового превентора, таких как компоненты управления воздухом с низкими паразитными потерями.