Генератор на топливных элементах

Топливные элементы — это перспективный, долговечный, надежный и экологический чистый источник получения электрической энергии. Топливный элемент (или как его еще называют электрохимический генератор) — устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию в процессе электрохимической реакции. В идеале, для работы топливного элемента в качестве подаваемого топлива необходим водород. Однако производство и хранение такого топлива достаточно затратны. Поэтому "портативные" генераторы на топливных элементах работают и от водородосодержащего топлива. В качестве такого топлива могу быть использованы привычные нам углеводороды:метан, бутан, пропан, метанол, бензин.

При использовании водорода в качестве топлива, продуктами химической реакции, помимо желаемой электроэнергии выступают тепло и вода. В этом случае такой генератор абсолютно безвреден для окружающей среды. При использовании в качества топлива углеводородов (например пропан), в окружающую среду будут выделяться так же оксиды углерода и азота. Однако, их значение существенно ниже, чем при обычном сжигании.

Устройство и принцип действия

Генератор на топливных элементах состоит из:

• топливного процессора
• секции выработки энергии
• преобразователя напряжения

Топливный процессор преобразует углеводородное топливо в водород, необходимый для электрохимической реакции (реформинг). Основной элемент устройства — реформер. Поступающий в реформер, к примеру, природный газ взаимодействует с водяным паром при очень высоких температурах (около 900 °C) и высоком давлением в присутствии катализатора (никеля). Пар, необходимый для преобразования, образуется из конденсата в следствии работы топливного элемента. При этом используется тепло, так же выделяемое в следствии его работы.

Секция выработки энергии — основная часть генератора. Она состоит из множества топливных ячеек, в состав электродов которых входит платиновый катализатор. С помощью этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток.

Преобразователь напряжения. Вырабатываемый топливными ячейками постоянный ток неустойчив, имеет низкое напряжение и высокую силу тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий стандартам, а так же для защиты электрической цепи от различных сбоев и используется преобразователь напряжения.

В таком генераторе примерно 40% энергии углеводородного топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Так же еще 40% энергии топлива преобразуются в тепловую энергию. Его можно использовать для обогрева помещения, а та же воды в водопроводе. Поэтому суммарный КПД такого генератора может достигать 80%.

Достоинством генератора на топливных элементах является:

• возможно быть источником электро и теплоснабжения;
• высокий КПД 50%. А если использовать получаемое в следствии работы тепло, то и все 80%;
• отсутствие вибраций и шумов;
• минимальное количество загрязняющих веществ;
• надежность (отсутствие движущихся элементов)
• простота эксплуатации

Недостатки и особенности:

• относительно высокая стоимость;
• наиболее эффективно в качестве топлива использовать водород;

Модными и современными технологиями заинтересовались так же производители аксессуаров для караванинга и выпустили несколько своих разработок.

Truma VeGa

Немецкая компания Truma, специализирующая в области газовых и электрических устройств для караванинга, совместно с институтом микро техники IMM разработали генератор электроэнергии на топливных элементах Truma VeGa. Идея заключалась в том, что бы сделать доступный генератор на новой, набирающей популярность технологии топливных элементов для массового потребителя. Система получила серебряную награду F-CELL в 2007 году и премию на выставке Bavarian Energy в 2008 году. Широкой публике технологичный продукт был представлен на выставке Caravan Salon в 2012 году в Дюссельдорфе. В том же году стартовало ее серийное производство и продажи.

Для выработки водорода с последующим преобразование его в электроэнергию, Vega использует сжиженный углеводородный газ (пропан/бутан). Максимальная производительность устройства 250 Вт/час или 6 Квт/сутки. Тем самым, VeGa дает возможность пользоваться одновременно множеством потребителей энергии в доме на колесах. Из стандартного, заправленного пропаном, 11 кг. баллона, VeGa способна выжать до 28 Квт электроэнергии. Таким образом, в зависимости от потребления электроэнергии, можно проживать автономно до нескольких недель.

Система работает полностью автоматически. Как только напряжение на аккумуляторе "проседает" ниже нормального, Vega включается и заряжает аккумулятор током до 20 А. Правильный ток зарядки может быть адаптирован по различные виды аккумуляторов (кислотные, щелочные, гелиевые). После достижения оптимального напряжения на клеммах аккумулятора, VaGa возвращается в режим ожидания. Так же генератор на топливных элементах VeGa можно запустить принудительно. Цветной сенсорный дисплей отображает все необходимые параметры работы: зарядный ток, напряжения аккумулятора, интервалы работы.

Преимуществом данной системы перед другими альтернативными источниками энергии (солнечные панели и ветрогенераторы) является доступность и относительная дешевизна используемого сырья (газ пропан/бутан), стабильность работы в любое время суток в широком диапазоне температур.

А теперь о грустном. Рыночная стоимость Truma Vega по каталогу Movera составляла 7000 евро. Слишком высокая цена за новые технологии даже для европейского караванера. Продажи шли очень вяло. Truma VeGa исчезла со страниц каталогов в 2015 году. Сегодня компания Truma об этой системе старается не вспоминать.

EFOY

Компания EFOY больше преуспела в разработке и реализации генераторов на топливных элементах. Главное отличие от Truma Vega в том, что в качества сырья (топлива) генераторы EFOY используют метанол (метиловый спирт СН₃ОН). Метанол продает сам завод изготовитель в канистрах 5 и 10 л. (цена по каталогу Movera 30 и 45 евро соответственно). 5 литров метанола достаточно для выработки 5.5 кВт электроэнергии.

Для автодомов и караванов EFOY выпускает 3 вида генераторов:

• Comfort 80. Максимальная мощность — 40 Вт. Емкость — 80 Ач в день. Ток заряда — 3,3 А. Стоимость (Movera) — 2600 евро
• Comfort 140. Максимальная мощность — 72 Вт. Емкость — 140 Ач в день. Ток заряда — 6 А. Стоимость (Movera) — 4000 евро
• Comfort 210. Максимальная мощность — 105 Вт. Емкость — 210 Ач в день. Ток заряда — 8,8 А. Стоимость (Movera) — 5600 евро

Та же как и VeGa, EFOY имеет автоматическую функцию поддержания заряда на аккумуляторе и включается только при необходимости.

Достоинства. Генератор работает бесшумно и экологично. Выделает только тепло, водяной пар и совсем немного двуокиси углерода. Работает независимо от времени суток в диапазоне температур от — 10 ° C до +40 ° C .

Так же компания EFOY выпускает генераторы серии Pro для промышленных масштабов.

Недостатки. По прежнему не решена ценовая проблема топливных элементов. В качестве катализатора в ячейках топливных элементов используют дорогой материал — платину, что конечно же сказывается на цене.

Стоит отметить, что топливными элементами, работающими на метаноле, занимается, помимо EFOY, еще большое количество компаний. Компания Toshiba внедряет компактные метаноловые топливные элементы для питания плееров, телефонов и ноутбуков. Топливные элементы, работающие на этиловом спирте на сегодняшний день являются наиболее вероятной заменой привычных нам аккумуляторов.