Классификация ТЭ. Общая энергетика: водород в энергетике

Щелочной ТЭ (ЩТЭ, AFC). Используют 35−50% водного раствора щелочи (КОН или NaOH) в качестве электролита и эксплуатируют при температуре до 270−300 К (ТЭ на концентрированных, до 85%, растворах щелочи используются при температурах до 520 К). ТЭ данного типа являются наиболее разработанными, в частности, они широко применяются в автономных энергосистемах, используемых в космонавтике и военно-морском флоте. Их основным недостатком является недопустимость наличия С0₂ как в топливе, так и в окислителе.

ТЭ на протонообменной мембране (ТПТЭ, 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, что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Они идеально подходят для транспорта и стационарных установок небольшого размера.

ТЭ на фосфорной кислоте (ФКТЭ, 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 (РКТЭ, MCFC). Используется расплавленная смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температура — приблизительно 920 К, 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 электричества, 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 (ТОТЭ, 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 1300 К. 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.