Описание: в статье описаны виды топливных элементов, их достоинства и недостатки и потенциальные области их применения.

Топливные элементы классифицируются в основном по роду электролита, который они используют. Эта классификация определяет тип химических реакций, происходящих в клетке, вид катализаторов, температурный диапазон, в котором работает клетка, требуемое топливо , и другие факторы. Эти характеристики, в свою очередь, влияют на приложения, для которых эти клетки являются наиболее подходящими. Существует несколько типов топливных элементов в настоящее время находящихся в стадии разработки, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, и потенциальные области применения. Узнайте о них:

Полимерным электролитом мембраны (ПЭМ) топливных элементов, называемым также - протон обмена мембран топливных элементов - обеспечивает высокую плотность мощности и обладает преимуществом низкого веса и объема, по сравнению с другими топливными клетками. Топливный клетки используют твердый полимер в качестве электролита и пористые углеродные электроды, содержащие платиновый катализатор. Им нужен только водород, кислород из воздуха, и вода в эксплуатации и они не требуют агрессивных жидкостей. Они, как правило, наполнены чистым водородом, который поступает из резервуаров для хранения.
          Полимерный электролит мембранных топливных клеток работает при относительно низких температурах, около 80°C (176°F). Низкотемпературный режим работы позволяет им начать работу быстрее (минимальный прогрев) и приводит к меньшему износу компонентов системы, в результате чего наблюдается более долгий срок службы. Однако, он требует, чтобы использовался благородный металлический катализатор (как правило, платина), чтобы отделить водородные электроны и протоны, добавляя их к стоимости системы. Платиновый катализатор также весьма чувствителен к угарному газу, поэтому необходимо использовать дополнительный реактор, чтобы уменьшить CO в топливном газе, если водород получен от алкогольного или углеводородного топлива. Это также добавляет стоимость. Разработчики в настоящее время изучают платиново/рутейные катализаторы, которые более устойчивы к CO.
          Топливный клетки используются, в основном, для транспортных приложений и некоторых стационарных приложений. Из-за их быстрого времени запуска, низкой чувствительности к ориентации, и благоприятной мощности к весу, топливные клетки особенно подходят для использования в пассажирских транспортных средствах, таких как легковые автомобили и автобусы.
          Значительным препятствием к использованию этих топливных элементов в транспортных средствах - хранение водорода. Большинство топливных элементов, транспортных средств, питаются от чистого водорода ,они должны хранить водород на борту в качестве сжатого газа под давлением в баках. Из-за низкой плотности энергии водорода, трудно хранить достаточное количество водорода на борту, чтобы транспортные средства, могли проехать на такое же расстояние, как и автомобили с бензиновыми двигателями. Высокая плотность жидких топлив, таких как метанол, этанол, природный газ, сжиженный нефтяной газ, и бензин, может быть использована для топлива, но и транспортные средства должны иметь на борту топливный процессор для реформирования метанола в водород. Это требование увеличивает издержки и техническое обслуживание. Реформатор также выбрасывает диоксид углерода (углекислый газ), хотя и меньше, чем выделяется бензиновыми двигателями.

Большинство топливных элементов, работающих на водороде, который может быть подан на топливные элементы системы, непосредственно или может быть создан в топливных элементах системы путем реформирования водородсодержащего топлива, такого как метанол, этанол, и углеводородное топливо. Метаноловый топливный элемент, однако, приведен в действие от чистого метанола, который смешивается с паром и подается непосредственно на топливные элементы анода.
          Метаноловые топливные клетки не имеют проблем с хранением, характерные для некоторых топливных элементов, потому что метанол имеет более высокую плотность энергии, чем водород - правда, меньшую, чем бензин или дизельное топливо. Метанол также облегчает транспортировку и поставку для общественности при помощью нашей современной инфраструктуры, потому что он находится в жидком состоянии, как и бензин.
           Метаноловая топливная технология является относительно новой по сравнению с другими топливными элементами на базе чистого водорода.

Щелочные топливные элементы разработаны одними из первых топливных элементов, тип широко используется в космических программах США для производства электрической энергии и воды на борту космических аппаратов. Эти топливные элементы используют раствор гидроксида калия в воде, как электролита и может использовать различные недрагоценные металлы в качестве катализатора в аноде и катоде. Высокая температура щелочных топливных элементов позволяет работать при температуре в диапазоне от 100°С до 250°C (212°F и 482°F). Однако новые проекты работают при более низких температурах около 23°C до 70°C (74°F до 158°F).
          Щелочные топливные элементы имеют высокую производительность благодаря скорости, с которой происходит химическая реакция в клетке. Они также продемонстрировали эффективную работу в космосе около 60%.
          Недостатком этого типа топливного элемента является то, что он легко отравлен диоксидом углерода (CO2). Этот процесс очистки дорог. Восприимчивость к отравлению также влияет на жизнь клетки (количество времени, прежде чем она должна быть заменена), добавляя это к стоимости.
          Стоимость - важный фактор для удаленных мест, таких, как пространство или море. Однако, чтобы эффективно конкурировать на большинстве основных коммерческих рынках, эти топливные элементы должны стать более эффективными. Щелочные топливные элементы показали достаточно стабильную работу более чем 8 000 рабочих часов. Чтобы быть экономически жизнеспособными в крупных полезных приложениях, эти топливные элементы должны достичь 40 000 часов, что не было достигнуто из-за материала. Это препятствие - возможно, наиболее существенное в коммерциализации этой технологии топливных элементов.

Топливные элементы фосфорной кислоты используют жидкую фосфорную кислоту в качестве электролита - кислота содержится в тефлоновой основе карбида кремния матрицы и пористые углеродные электроды, содержащиеся в платиновом катализаторе. Химические реакции, происходят в клетке, как показано на рисунке слева.
           Топливные элементы фосфорной кислоты считаются элементами "первого поколения". Это одни из наиболее развитых видов клеток, и в первую очередь используются в коммерческих целях. Этот тип топливных элементов, как правило, используется для стационарных силовых машин, но некоторые топливные элементы фосфорной кислоты были использованы для питания больших машин, таких как городские автобусы.
           Топливные элементы фосфорной кислоты более терпимы к примесям в ископаемых видах топлива, которые были преобразованы в водород, по окиси углерода, так как окись углерода связывается с платиновым катализатором на аноде, снижается эффективность топливных элементов. Они эффективны на 85%, когда они используется для совместного производства электроэнергии и тепла, но менее эффективны при получение электроэнергии в одиночку (37% - 42%). Это лишь немного меньше, чем горение на электростанциях, которые, как правило, работают на 33% - 35% эффективности. Топливные элементы фосфорной кислоты также менее мощны, чем другие топливные элементы, учитывая тот же вес и объем. В результате, эти топливные элементы, как правило, крупнее и тяжелее. Топливные элементы фосфорной кислоты также являются дорогостоящими. Топливные клетки, требуют дорогого платинового катализатора, который повышает стоимость топливных элементов.

Расплавленный карбонатныЙ топливныЙ элемент в настоящее время разрабатывается для природного газа и угля на электростанциях для коммунального электричества, промышленного и военного назначения. Расплавленный карбонатныЙ топливныЙ элемент, высокотемпературный топливный элемент, который использует электролит состоящий из расплавленной карбонатной соляной смеси, взвешенной в пористой, химически инертной керамической литиевого оксида алюминия (LiAlO2) матрице. Потому что они работают при очень высоких температурах 650°C (примерно 1 200°F) и выше, недрагоценные металлы могут быть использованы в качестве катализаторов на катоде и аноде, это снижает затраты.
           Повышение эффективности - это еще одна причина,применения расплавленного карбонатного топливного элемента, также предлагают значительное сокращение затрат по производству фосфорной кислоты топливных элементов. Расплавленный карбонатный топливный элемент, в сочетании с турбиной, может обеспечить эффективность приближенно равной 65%, что значительно выше, чем 37% - 42% эффективности фосфорной кислоты топлива, растительной клетки. Когда отходящее тепло улавливается и используется, общая топливная эффективность может достигать 85%.
           В отличие от щелочных, фосфорной кислоты, и полимерного электролита мембранных топливных клеток, расплавленный карбонатный топливный элемент не требует внешнего реформирования, чтобы преобразовать больше высококалорийных видов топлива на водород. Из-за высоких температур, при которых расплавленный карбонатный топливныЙ элемент работает, топливо преобразуются в водород в процессе, который называется внутренним реформированием, которое также снижает стоимость.
           Расплавленный карбонатный топливный элемент не склонен к окиси углерода и двуокиси углерода "отравление" - они могут даже использовать окиси углерода в качестве топлива, что делает их более привлекательными для заправки газов из угля. Они более устойчивы к примесям топлива, чем другие типы клеток, ученые полагают, что они могут даже быть в состоянии внутреннего реформирования, предполагая, что они могут быть сделаны из таких примесей, как сера и твердых частиц в результате преобразования угля.
           Основным недостатком существующих расплавленных карбонатных топливных элементов является недолговечность. Высокие температуры, при которых эти клетки работают и едкий электролит используемыйтдля ускорения компонента разрушения и коррозии, снижает жизнь клетки. Ученые в настоящее время проводят исследование коррозионно-стойких материалов для компонентов, а также топливных элементов конструкций, которые увеличивают жизнь клетки без снижения производительности.

Твердооксидные топливные элементы используют жесткие, не пористые керамические соединения в качестве электролита. Потому что электролит является твердым, клетки не должны быть построены типовой конфигурацией как другие типы клеток топлива. Твердооксидные топливные элементы обладают эффективностью около 50%-60% на преобразование топлива в электроэнергию. В приложениях, предназначенных для захвата и использования систем утилизации тепла (когенерация), общая эффективность использования топлива может достигать 80%-85%.
           Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах - около 1000°C (1,830°F). Работа при высокой температуре устраняет необходимость в драгоценных металлах катализатора, тем самым снижая затраты. Это также позволяет твердооксидным топливным элементам реформировать топливо внутри , что позволяет использовать различные виды топлива и снижает затраты, связанные с добавлением реформатора в систему.
           Твердооксидные топливные элементы также могут допустить на несколько порядков больше серы, чем другие типы клеток. Кроме того, они не отравливаются угарным газом (CO), который даже может быть использован в качестве топлива. Это свойство позволяет твердооксидным топливным элементам использовать газы из угля.
           Работа при высокой температуре имеет свои преимущества и недостатки. Это приводит к медленной загрузке и требует значительной тепловой защиты для сохранения тепла и защиты персонала, которые могут быть приемлемы для полезных приложений, но не для перевозки и небольших портативных приложений. Высокие рабочие температуры, также устанавливают строгие требования, касающиеся устойчивости на материалы. Разработка недорогих материалов с высокой прочностью при рабочих температурах является ключевой технической проблемой, стоящей перед этой технологией.
           Ученые в настоящее время изучает возможности для развивающихся низкотемпературных твердооксидных топливных элементов , работающих при температуре ниже 800°C, которые имеют меньшую долговечность и меньше затрат. Низкотемпературные твердооксидные топливные элементы производят меньше электроэнергии.

Восстановительные топливные элементы вырабатывают электричество из водорода и кислорода и генерацию тепла и воды, а также субпродукты, как и другие топливные элементы. Тем не менее, восстановительные топливные системы, могут также использовать электричество от солнечной энергии или какого-либо другого источника, чтобы разделить излишки воды на кислород и водород топлива - этот процесс называется "электролиз" .Это сравнительно молодая технология топливных элементов разрабатываемых NASA и другими.