Топливные элементы как альтернатива возобновляемой энергетике

Солнечные и ветровые электростанции широко применяются во всём мире, однако их ключевым недостатком остается нестабильность выработки электроэнергии. Для обеспечения надежного электроснабжения требуются резервные источники или подключение к сети. Для решения этой проблемы существуют топливные элементы — электрохимические устройства, позволяющие напрямую преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую без процесса горения.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА 

Топливный элемент состоит из:

• анода,
• катода,
• электролита (или мембраны),
• каталитического слоя.

Водород подается на анод, где распадается на протоны и электроны. Протоны проходят через мембрану, а электроны движутся по внешней электрической цепи, формируя ток. На катоде происходит реакция соединения протонов, электронов и кислорода с образованием воды.

Принцип работы водородного топливного элемента

При попадании водорода к электрону, находящемуся в щелочной среде протекает химическая реакция: 

2H2+ 4OH-→ 4H2O + 4e-

Получив электроны, которые проходят по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция: 

4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Общая химическая реакция:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

В отличие от обычного горения, энергия в топливном элементе выделяется преимущественно в виде электричества, а не тепла.

ВИДЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Топливные элементы классифицируются по типу электролита:

• щелочные (AFC),
• с протонообменной мембраной (PEMFC),
• фосфорнокислотные (PAFC),
• расплав-карбонатные (MCFC),
• твердооксидные (SOFC).

В качестве топлива могут использоваться водород, угарный газ, спирты и углеводороды, а в качестве окислителя — кислород или воздух. Тепловые элементы имеют ряд преимуществ перед другими источниками энергии. 

В отличие от тепловых машин,  топливных элементов не имеет жесткого ограничения по КПД, поскольку отсутствует стадия преобразования тепла в работу. Теоретически КПД может превышать 100 % за счет поглощения тепла из окружающей среды, однако на практике он ограничивается потерями:

• омическими,
• активационными,
• диффузионными.

Современные топливные элементы достигают КПД до 60–70 %, что превышает показатели большинства традиционных энергетических установок.

Также из наиболее важных преимуществ работы топливного элемента - отсутствие выбросов парниковых газов. Единственный продукт реакции — вода. Это делает технологию одной из наиболее экологически чистых среди существующих источников энергии.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 

• Космическая техника — корабли «Аполлон», «Шаттл».
• Автомобильный транспорт — водородные автомобили Honda, Mercedes-Benz, Toyota.
• Мобильная электроника — портативные источники питания и зарядные устройства.
• Стационарная энергетика — демонстрационные электростанции мощностью от 200 кВт.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ

• Источник водорода - Производство водорода методом электролиза требует значительных затрат электроэнергии. Значит, чтобы получить больше водорода необходимо потратить больше электроэнергии, получаемый из природного газа. Этот способ получения водорода остается самым дешевым и популярным. В настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. 
• Хранение и транспортировка - Низкая плотность водорода требует его сжатия, что увеличивает стоимость и снижает безопасность.
• Катализаторы - Традиционно используются платиновые катализаторы, что делает топливные элементы дорогими и ресурсно ограниченными. Ведутся активные исследования по замене платины более доступными материалами.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 

Объем рынка топливных элементов в 2025 году превысил 9,5 млрд долларов США и, как ожидается, к 2035 году превысит 78,41 млрд долларов США. Рост рынка обусловлен растущим использованием водородной энергии в мире, за счет: 

• Необходимости сокращении использования ископаемого топлива 
• Сокращения выбросов парниковых газов 
• Растущей осведомленностью о чистой энергии 

В перспективе ожидается сохранение динамичного развития рынка топливных элементов до 2035 года, чему будет способствовать рост мощности автономных источников энергии.  

(ИСТОЧНИК: https://www.researchnester.com/ru/reports/fuel-cell-market/3310) 

Информация о развитии топливных элементов подготовлена аналитическим отделом компании ЭНЭКА на основе анализа современных научно-технических источников, практических примеров использования топливных элементов и актуальных тенденций развития энергетических технологий.