В настоящее время для выработки электрической энергии для выработки электроэнергии используют топливные элементы. Эти элементы преобразуют энергию химических реакций в электрическую энергию. Химическая реакция представляет собой перераспределение электронов между атомами. Если разделить в пространстве выделение электронов на аноде и их поглощение на катоде, то можно получить электрический ток в проводнике, следовательно происходит непосредственное превращение химической энергии в электрическую. Этот процесс осуществляют в топливном элементе. Это обычный электрохимический элемент, в котором активные вещества (H2, O2) подаются из вне, а материал электрода в электрохимической реакциях не расходуется. Впервые такой элемент был разработан в Англии в 1938 году Беконом.
Схема топливного элемента
Топливный элемент имеет два пластинчатых электрода из пористого губчатого никеля. Между электродами находится электролит. Электроды омываются газами: анод – водородом; катод – кислородом. Молекулы Н2 сначала диссоциируют на атомы, а атомы на ионы и электроны. Электроны уходят из анода по внешней цепи к катоду и возникает электрический ток.
Ионы водорода проходят через электролит к катоду. На катоде они вступают в реакцию с кислородом и поглощаются им. Из внешней цепи также поступают электроны, в процессе реакции образуется вода. Величина напряжения в топливном элементе в среднем 1В, поэтому для получения тока высокого напряжения требуется соединить большое количество топливных элементов. Рассмотренный топливный элемент работает только на чистом водороде, т.к. электролит пропускает ионы водорода. Водород обычно получают из природного газа.
В настоящее время разработаны топливные элементы, работающие на природном газе. В этих топливных элементах используется твердый электролит, например, пористый оксид циркония, который с двух сторон покрыт электродами. Т.к. в топливном элементе через твердый электролит диффундируют ионы кислорода, то на катоде они могут окислять не только водород, но и различные углеводороды из которых состоит природный газ.
Скорости хим. реакций увеличиваются с повышением рабочей температуры, поэтому разрабатывают не только низкотемпературные топливные элементы с t=80-100C, но и среднетемпературные ТЭ с t=200С и высокотемпературные t=650-1000С.
К низкотемпературным ТЭ относятся: ТПТЭ (твердополимерные) и ЩТЭ (щелочные)
К среднетемпературным ТЭ относятся: ФКТЭ (фосфорокислые)
К высокотемпературным ТЭ относятся: РКТЭ (с расплавленным карбонатом) и ТОТЭ (твердоксидные)
Т.к. процесс превращения хим. энергии топлива в электрическую не связан с превращением ее в теплоту, поэтому КПД ТЭ примерно равняется 70-80%.
Работа ТЭ связана с выделением тепла. Низкотемпературные ТЭ работают на чистом водороде и дают дистиллированную воду с температурой 60-80С. Тепловыми отходами высокотемпературных ТЭ, которые работают на природном газе являются влажный газ с температурой 650С и выше. Отходы с такой температурой можно использовать не только для нагрева воды, но и для получения пара.
В настоящее время при разработке ТЭ стараются уменьшить размеры ТЭ за счет увеличения температурных скоростей, а также диффузии ионов методом подбора электролитов и катализаторов.
В настоящее время электрогенераторы на базе ТЭ значительно дороже генераторов с паротурбинным или приводом от ДВС такой же мощности. Но совершенствование ТЭ и увеличение их выпуска должно привести к снижению их стоимости.