Есть
различные типы ТЭ-топливных элементов. Их
обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему
давлению и температуре, а также по характеру применения.
Наибольшее
распространение получила классификация топливных
элементов по типу электролита как среды для
внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между
электродами определяет операционную температуру и от этой
температуры зависит тип катализатора.
Выбор
топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ-топливных
элементах, определяется, в первую очередь, их
электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на
электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода
топлива и окислителя в ТЭ-топливных элементх и
отвода продуктов реакции из ТЭ-топливных элементов.
Водород
считается основным источником топлива для ТЭ-топливных
элементов, однако процесс преобразования топлива
позволяет извлекать водород и из других его видов, включая
метанол, природный газ, нефть и др.
В отличии
от аккумулятора и батареек, ТЭ-топливные элементы
не истощается и не требует перезарядки; он работает, пока
подается топливо.
Щелочной
ТЭ (AFC)
Электролит состоит из жидкого KOH, который
циркулирует в пространстве между электродами.
Они использовались с середины 1960-х годов в
космических программах, обеспечивая питанием
электрические системы космических кораблей
"Буран", "Шаттл" и др. Коммерческое применение
их ограничено, т.к. они должны работать с
чистыми водородом и кислородом (либо с
кислородом воздуха, из которого удален
углекислый газ). Щелочные ТЭ имеют КПД до 70%
ТЭ на
протонообменной мембране (PEMFC)
В
качестве электролита используется твердая
полимерная мембрана (тонкая пластмассовая
пленка), которая проводит водородные ионы
(протоны) с анода на катод. Они обеспечивают
высокую плотность тока, что позволяет уменьшать
их вес, стоимость, объем и улучшать качество
работы. Неподвижный твердый электролит упрощает
герметизацию в процессе производства, уменьшает
коррозию, и обеспечивает более долгий срок
службы ТЭ. Эти ТЭ работают при низких
температурах (ниже 100 С), что ускоряет запуск и
реакцию на изменения потребности в
электричестве. Они идеально подходят для
транспорта и стационарных установок небольшого
размера.
ТЭ на
фосфорной кислоте (PAFC)
Электролитом является бумажная матрица,
насыщаемая фосфорной кислотой, также проводящей
протоны. Это наиболее разработанные коммерчески
развитые ТЭ. Они применяются в стационарных
электрогенераторных устройствах в зданиях,
гостиницах, больницах, аэропортах и
электростанциях. ТЭ на фосфорной кислоте
вырабатывают электричество с КПД более 40% или
около 85%, если пар, который производит этот ТЭ,
используется для совместного производства тепла
и электричества (в сравнении с 30% КПД наиболее
эффективного двигателя внутреннего сгорания).
ТЭ на
расплаве карбоната (MCFC)
Использует расплавленную смесь лития/калия (или
лития/натрия) для проведения ионов карбоната от
катода к аноду. Рабочая температура -
приблизительно 650 C, что позволяет использовать
топливо напрямую, без какой-либо дополнительной
его подготовки, и никель в качестве
катализатора. Их конструкция более сложна, чем
конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их
более высокой рабочей температуры и
использования расплава электролита. Им требуется
существенное количество времени для того, чтобы
они достигли рабочей температуры и смогли
реагировать на изменения в потребности в
электричестве, и поэтому лучше всего они
подходят для условий, где необходима постоянная
подача больших количеств электроэнергии.
Наибольшее количество подобных установок
построено в США и Японии. В США имеется
демонстрационная опытная электростанция
мощностью 1.8 МВт.
ТЭ на
твердых оксидах (SOFC)
В
качестве электролита используется твердый
керамический материал (стабилизированная иттрием
окись циркония), которая проводит атомы
кислорода от катода к аноду при чрезвычайно
высокой температуре - свыше 1000 C. Это
позволяет им использовать относительно
загрязненные виды топлива, например, получаемые
при газификации угля. Энергетический КПД – около
60%. Их относительно простая конструкция
(обусловленная использованием твердого
электролита и самых разных видов топлива) в
сочетании с существенным количеством времени,
необходимым для того, чтобы они достигли рабочей
температуры и смогли реагировать на изменения в
потребности в электричестве, делает их
подходящими для больших и очень больших
стационарных электрогенераторных установок и
электростанций
