Современные топливные элементы на углеводородах. Топливные элементы: виды и принцип работы. Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа
Топливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.
Особенности
Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.
Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.
История появления
В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета - электричество, воду и тепло.
Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века - в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.
Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.
Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.
Принцип работы
Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.
Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.
Диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Типы
Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.
Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.
Общие понятия
Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.
Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов - катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.
Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.
Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.
Преимущества водородных топливных ячеек
Среди них следует выделить:
- Повышенная удельная теплоемкость.
- Широкий температурный диапазон эксплуатации.
- Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
- Надежность при холодном запуске.
- Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
- Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
- Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
- Длительный срок эксплуатации.
- Бесшумность и экологичность работы.
- Высокий уровень энергоемкости.
- Толерантность к сторонним примесям в водороде.
Область применения
Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:
- Портативные зарядные устройства.
- Энергоснабжающие системы для БПЛА.
- Источники бесперебойного питания.
- Прочие устройства и оборудование.
Перспективы водородной энергетики
Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка - высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.
Как собрать топливный элемент на водороде?
Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.
Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.
В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.
Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.
Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.
Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.
Я вставляю штуцер заправочного шланга в горловину топливного бака и поворачиваю его на полоборота, чтобы загерметизировать соединение. Щелчок тумблера - и мигание светодиода на заправочной колонке с огромной надписью h3 показывает, что заправка началась. Минута - и бак полон, можно ехать!
Элегантные обводы корпуса, сверхнизкая подвеска, низкопрофильные слики выдают настоящую гоночную породу. Сквозь прозрачную крышку видно хитросплетение трубопроводов и кабелей. Где-то я уже видел подобное решение… Ах да, на Audi R8 сквозь заднее стекло тоже виден двигатель. Но на Audi он традиционный бензиновый, а эта машина работает на водороде. Как и BMW Hydrogen 7, но только, в отличие от последней, здесь внутри нет ДВС. Единственные движущиеся части - рулевой механизм и ротор электромотора. А энергию для него дает топливный элемент. Выпущен этот автомобиль сингапурской компанией Horizon Fuel Cell Technologies, специализирующейся на разработке и производстве топливных элементов. В 2009 году британская компания Riversimple уже представила городской водородомобиль, приводимый в движение топливными элементами Horizon Fuel Cell Technologies. Он разработан в сотрудничестве с Университетами Оксфорда и Крэнфилда. А вот Horizon H-racer 2.0 - сольная разработка.
Топливный элемент представляет собой два пористых электрода, покрытых слоем катализатора и разделенных протонообменной мембраной. Водород на катализаторе анода превращается в протоны и электроны, которые через анод и внешнюю электрическую цепь приходят на катод, где водород и кислород рекомбинируют с образованием воды.
«Поехали!» - по‑гагарински подталкивает меня локтем главный редактор. Но не так быстро: сначала нужно «прогреть» топливный элемент на неполной нагрузке. Переключаю тумблер в режим «warm up» («прогрев») и жду положенное время. Потом на всякий случай дозаправляю бак до полного. Вот теперь поехали: машинка, плавно жужжа двигателем, трогается вперед. Динамика впечатляет, хотя, впрочем, чего еще ждать от электромобиля - момент постоянный на любых оборотах. Хотя и ненадолго - полного бака водорода хватает всего на несколько минут (компания Horizon обещает в ближайшем будущем выпустить новый вариант, в котором водород не запасается в виде газа под давлением, а удерживается пористым материалом в адсорбере). Да и управляется, прямо скажем, не очень - на дистанционном управлении всего две кнопки. Но в любом случае жаль, что это только радиоуправляемая игрушка, которая обошлась нам в $150. Мы бы не отказались покататься на настоящей машине с топливными элементами в качестве энергетической установки.
Бак, эластичная резиновая емкость внутри жесткого кожуха, при заправке растягивается и работает в качестве топливного насоса, «выдавливая» водород в топливный элемент. Чтобы не «перезаправить» бак, один из штуцеров подключен пластиковой трубкой к аварийному клапану сброса давления.
Заправочная колонка
Сделай сам
Машина Horizon H-racer 2.0 поставляется в виде набора для крупноузловой сборки (типа «сделай сам»), купить её можно, например, на «Амазоне». Однако собрать ее несложно - достаточно поставить на место топливную ячейку и закрепить ее винтами, подсоединить шланги к баку для водорода, топливному элементу, заправочной горловине и аварийному клапану, и остается только поставить верхнюю часть корпуса на место, не забыв передний и задний бамперы. В комплекте идет заправочная станция, которая получает водород методом электролиза воды. Питается она от двух батареек АА, а если захочется, чтобы энергия была совсем «чистой», - от солнечных батарей (они тоже входят в комплект).
www.popmech.ru
Как сделать топливный элемент своими руками?
Безусловно, самое простое решение проблемы обеспечения постоянной работы безтопливных систем заключается в приобретении готового вторичного источника энергии на гидравлической или любой другой основе, однако в этом случае избежать дополнительных расходов уж точно не удастся, да и в этом процессе довольно сложно рассмотреть какую-либо идею для полета творческой мысли. Кроме того, выполнить топливный элемент своими руками вовсе не так сложно, как можно подумать на первый взгляд, и при желании с поставленной задачей сможет справиться даже самый малоопытный мастер. К тому же, более чем приятным бонусом станут малые расходы для создания данного элемента, ведь несмотря на всю его пользу и важность, можно будет абсолютно спокойно обойтись уже имеющимися в наличии подручными средствами.
При этом единственный нюанс, который необходимо учитывать перед выполнением поставленной задачи, заключается в том, что своими руками можно изготовить исключительно маломощное приспособление, а воплощение в реальность более усовершенствованных и сложных установок следует все-таки предоставить квалифицированным специалистам. Что касается порядка работы и очередности действий, то в первую очередь следует выполнить корпус, для чего лучше всего использовать толстостенное оргстекло (не менее 5 сантиметров). Для склеивания стенок корпуса и монтажа внутренних перегородок, для которых лучше всего использовать более тонкое оргстекло (хватит и 3 миллиметров) в идеале использовать двухкомпозитный клей, хотя при большом желании качественную спайку можно выполнить самостоятельно, используя следующие пропорции: на 100 грамм хлороформа - 6 граммов стружки из того же оргстекла.
При этом процесс необходимо проводить исключительно под вытяжкой. Для того, чтобы оборудовать корпус так называемой сливной системой, в его передней стенке необходимо осторожно просверлить сквозное отверстие, диаметр которого будет в точности совпадать с габаритами резиновой пробки, служащей, своего рода, прокладкой между корпусом и стеклянной трубочкой слива. Что касается размеров самой трубочки, то в идеале предусматривать ее ширину равной пяти-шести миллиметрам, хотя все зависит от типа проектируемой конструкции. С большей вероятностью можно утверждать, что определенное удивление у потенциальных читателей данной статьи вызовет старый противогаз, приведенный в перечне необходимых элементов для выполнения топливного элемента. Между тем, вся польза данного приспособления кроется в активированном угле, расположенном в отсеках его респиратора, который в дальнейшем можно использовать, как электроды.
Так как речь идет о порошкообразной консистенции, то для усовершенствования конструкции понадобятся чулки из капрона, из которых можно будет легко изготовить мешочек и сложить туда уголь, иначе он будет попросту высыпаться из отверстия. Что касается распределительной функции, то сосредоточение топлива происходит в первой камере, в то время, как кислород, необходимый для нормального функционирования топливного элемента, напротив, будет циркулировать в последнем, пятом отсеке. Сам электролит, расположенный между электродами следует пропитать специальным раствором (бензин с парафином в соотношении 125 на 2 миллилитра), причем делать это нужно еще до закладки воздушного электролита в четвертый отсек. Для обеспечения должной проводимости, поверх угля укладывают медные пластинки с заблаговременно припаянными проводами, через которые электроэнергия будет передаваться от электродов.
Данный этап конструирования можно смело считать завершающим, после проведения которого проводят зарядку готового устройства, для чего понадобится электролит. Для того, чтобы его приготовить, необходимо смешать в равных частях этиловый спирт с дистиллированной водой и приступать к постепенному введению едкого калия из расчета 70 грамм на стакан жидкости. Проведение первого испытания изготовленного устройства заключается в одновременном заполнении первого (топливная жидкость) и третьего (изготовленный из этилового спирта и едкого калия электролит) контейнеров корпуса из оргстекла.
uznay-kak.ru
Водородные топливные элементы | ЛАВЕНТ
Давно хотел рассказать про ещё одно направление компании Альфаинтек. Это разработка, продажа и обслуживание водородных топливных элементов. Сразу хочу объяснить ситуацию с данными топливными элементами в России.
Из-за достаточно высокой стоимости и полного отсутствия водородных станций для зарядки данных топливных элементов, продажа их в России не предполагается. Тем не менее в Европе, особенно в Финляндии, данные топливные элементы с каждым годом набирают популярность. В чём же секрет? Давайте посмотрим. 
Данное устройство экологически чистое, легкое в эксплуатации и эффективное. Оно приходит на помощь человеку там, где ему необходима электрическая энергия. Вы можете взять его с собой в дорогу, в поход, использовать на даче, в квартире как автономный источник электроэнергии.
Электричество в топливном элементе вырабатывается в результате химической реакции водорода, поступающего из баллона, с гидридом металла и кислородом из воздуха. Баллон не взрывоопасен и может храниться у Вас в шкафу годы, ожидая своего часа. Вот это, пожалуй, одно из главных достоинств данной технологии хранения водорода. Именно хранение водорода является одной из главных проблем в развитии водородного топлива. Уникальные новые легкие топливные элементы, которые преобразуют водород в обычное электричество, безопасно, тихо и без выброса вредных веществ.
Данный вид электричества можно использовать в тех местах, где нет центрального электричества, или как аварийный источник питания.
В отличие от обычных аккумуляторов, которые нужно заряжать и при этом отключать от потребителя электроэнергии в процессе зарядки, топливный элемент работает как «умное» устройство. Данная технология обеспечивает бесперебойное питание в течение всего срока использования благодаря уникальной функции сохранения питания при смене ёмкости с топливом, что позволяет пользователю никогда не выключать потребитель. В закрытом футляре топливные элементы могут храниться на протяжении нескольких лет без потери объема водорода и уменьшения своей мощности.
Топливный элемент предназначен для ученых и исследователей, служб охраны правопорядка, спасателей, владельцев судов и пристаней для яхт, и для всех тех, кому нужен надежный источник питания на случай экстренных ситуаций. 
Вы можете получить напряжение 12 вольт или 220 вольт и тогда у вас будет достаточно энергии, чтобы использовать телевизор, стереосистему, холодильник, кофеварку, чайник, пылесос, дрель, микроплиту и другие электробытовые приборы.
Топливные элементы Hydrocell могут продаваться как единичное устройство, так и батареями из 2–4 элементов. Два или четыре элемента могут быть объединены либо для увеличения мощности, либо для увеличения силы тока. 
ВРЕМЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОБЫТОВЫХ ПРИБОРОВ С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
| Электробытовые приборы | Время работы за день (мин.) | Потреб. мощность за день(Вт*ч) | Время работы с топливными элементами |
|||
| Электрический чайник | ||||||
| Кофеварка | ||||||
| Микроплита | ||||||
| Телевизор | ||||||
| 1 лампочка 60W | ||||||
| 1 лампочка 75W | ||||||
| 3 лампочки 60W | ||||||
| Компьютер ноутбук | ||||||
| Холодильник | ||||||
| Энергосберегающая лампа | ||||||
* - непрерывная работа
Топливные элементы полностью заряжаются на специальных водородных станциях. Но что, если вы отправляетесь далеко от них и нет возможности подзарядиться? Специально для таких случаев специалисты компании Alfaintek разработали баллоны для хранения водорода, с которыми топливные элементы проработают значительно дольше.
Выпускаются два типа баллонов: НС-МН200 и НС-МН1200.НС-МН200 в сборе имеет размер чуть больше банки для кока-колы, он вмещает в себя 230 литров водорода, что соответствует 40Ач (12V), и весит всего 2,5 кг.Баллон с гидридом металла НС-МН1200 вмещает в себя 1200 литров водорода, что соответствует 220Ач (12V). Вес баллона 11 кг.
Техника применения гидридов металлов является безопасным и легким способом хранения, перевозки и использования водород. При хранении в виде гидрида металла водород находится в форме химического соединения, а не в газообразной форме. Данный метод дает возможность получить достаточно большую плотность энергии. Преимуществом применения гидрида металла является то, что давление внутри баллона составляет всего 2-4 бара.Баллон не взрывоопасен и может храниться годы без снижения объема вещества. Поскольку водород хранится в виде гидрида металла, чистота водорода, полученного из баллона, очень высока - 99,999%. Баллоны для хранения водорода в виде гидрида металла можно использовать не только с топливными элементами HC 100,200,400, но и в других случаях, когда нужен чистый водород. Баллоны можно легко подсоединить к топливному элементу или к другому устройству при помощи быстро соединяющегося разъема и гибкого шланга.
Очень жаль, что данные топливные элементы не продаются в России. А ведь среди нашего населения так много людей, которые нуждаются в таковых. Чтож поживём, увидим, глядишь и у нас появятся. А пока будем покупать навязанные государством энергосберегающие лампочки.
P.S. Похоже тема окончательно ушла в небытиё. Через столько лет после написания этой статьи не вышло ничего. Может я, конечно, не везде ищу, но то, что попадается на глаза совсем не радует. Технология и задумка хорошая, но вот развития пока не нашла.
lavent.ru
Топливный элемент – будущее, которое начинается сегодня!
Начало ХХІ века рассматривает экологию как одну из самых главных мировых задач. И первое, чему следует уделить внимание в сложившихся условиях, это поиск и применение альтернативных источников энергии. Именно они способны препятствовать загрязнению окружающей нас среды, а также полностью отказаться от непрерывно дорожающего топлива на основе углеводорода.
Уже сегодня нашли применение такие источники энергии, как солнечные элементы и ветряные установки. Но, к сожалению, их недостаток связан с зависимостью от погоды, а также от сезона и времени суток. По этой причине от их использования в космонавтике, авиа- и автомобилестроении постепенно отказываются, а для стационарного применения их комплектуют с вторичными источниками питания – аккумуляторами.
Однако лучшим решением является топливный элемент, так как он не требует постоянной энергетической подзарядки. Это устройство, которое способно к переработке и преобразованию различного вида топлива (бензина, спирта, водорода и др.) непосредственно в электрическую энергию.
Топливный элемент работает по следующему принципу: извне подается топливо, которое окисляется кислородом, а выделяемая при этом энергия превращается в электричество. Такой принцип действия обеспечивает практически вечную эксплуатацию.
Начиная с конца ХІХ века ученые изучали непосредственно топливный элемент, и постоянно разрабатывали новые его модификации. Так, на сегодня, в зависимости от условий эксплуатации, существуют алкалиновые или щелочные (AFC), прямые борогидратные (DBFC), электро-гальванические (EGFC), прямые метанольные (DMFC), цинково-воздушные (ZAFC), микробные (MFC), также известны модели на муравьиной кислоте (DFAFC) и на металлических гидридах (MHFC).
Одним из самых перспективных считается водородный топливный элемент. Использование водорода в силовых установках сопровождается значительным выделением энергии, а выхлопы такого устройства – это чистый водяной пар или питьевая вода, которые не несут никакой угрозы окружающей среде.
Успешное испытание топливных элементов данного типа на космических кораблях в последнее время вызвало немалый интерес у производителей электроники и различной техники. Так, компания PolyFuel представила миниатюрный топливный элемент на водородном топливе для ноутбуков. Но слишком высокая стоимость такого устройства и сложности в беспрепятственной его заправке ограничивает промышленный выпуск и широкое распространение. Также компания Honda уже свыше 10 лет выпускает автомобильные топливные элементы. Однако в продажу такой вид транспорта не поступает, а только в служебное пользование сотрудников компании. Автомобили находятся под наблюдением инженеров.
Многие задаются вопросом о том, а возможно ли собрать топливный элемент своими руками. Ведь существенным преимуществом самодельного устройства будет незначительное вложение средств, в отличие от промышленной модели. Для миниатюрной модели понадобится 30 см покрытой платиной никелевой проволоки, небольшой кусочек пластмассы или древесины, клипса для 9-вольтовой батареи и сама батарея, прозрачная липкая лента, стакан воды и вольтметр. Такое устройство позволит увидеть и понять суть работы, но генерировать для автомобиля электроэнергию, конечно же, не получится.
fb.ru
Водородные топливные элементы: немного истории | Водород
В наше время особенно остро стоит проблема дефицита традиционных энергетических ресурсов и ухудшение состояния экологии планеты в целом из-за их использования. Именно поэтому в последнее время значительные финансовые средства и интеллектуальные ресурсы тратятся на разработку потенциально перспективных заменителей углеводородного топлива. Таким заменителем в самое ближайшее время может стать водород, поскольку его использование в силовых установках сопровождается выделением большого количества энергии, а выхлопы представляют собой водяной пар, то есть не представляют опасности для окружающей среды.
Несмотря на некоторые существующие до сих пор технические сложности по внедрению топливных элементов на основе водорода, многие производители автомобилей оценили перспективность технологии и уже активно разрабатывают прототипы серийных автомобилей, способных использовать водород в качестве основного топлива. Еще в две тысячи одиннадцатом концерн Daimler AG представил концептуальные модели Mersedes-Benz с водородными силовыми установками. Кроме того, корейская компания Hyndayi официально заявила, что не намерена больше развивать электрические автомобили, а все усилия сконцентрирует на разработке доступного водородного автомобиля.
Несмотря на то, что сама идея использовать водород в качестве топлива для многих не является дикой, большинство не представляет, как устроены топливные элементы, использующие водород и что в них такого примечательного.
Чтобы понять важность технологии, редлагаем обратиться к истории водородных топливных элементов.
Первым человеком, который описал потенциал использования водорода в топливном элементе, был немец по национальности - Christian Friedrich. Еще в далеком 1838 году он опубликовал свою работу в известном научном журнале того времени.
Уже в следующем году судьей из Ульса, сэром William Robert Grove был создан прототип работоспособной водородной батареи. Однако мощность устройства была слишком маленькой даже по меркам того времени, поэтом о его практическом использовании не могло быть и речи.
Что касается термина «топливный элемент» - он своим существованием обязан ученым Ludwig Mond и Charles Langer, которые в 1889 году предприняли попытку создания топливного элемента, работающего на воздухе и коксовом газе. По другим данным впервые термин был использован William White Jaques, который впервые решил использовать фосфорную кислоту в электролите.
В 1920-х годах в Германии был произведен целый ряд исследований, результатом которых стало открытие твердооксидных топливных элементов и путей использования цикла карбоната. Примечательно, что эти технологии эффективно используются и в наше время.
В 1932 году инженером Francis T Bacon была начата работа по исследованию непосредственно топливных элементов на основе водорода. До него ученые использовали наработанную схему – пористые платиновые электроды помещались в серную кислоту. Очевидный минус подобной схемы заключается, прежде всего, в ее неоправданной дороговизне ввиду использования платины. Кроме того, использование едкой серной кислоты создавало угрозу для здоровья, а порой и жизни, исследователей. Бэйкон решил оптимизировать схему и заменил платину никелем, а в качестве электролита использовал щелочной состав.
Благодаря продуктивной работе по усовершенствованию своей технологии, Бэйкон уже в 1959 году представил широкой публике свой оригинальный водородный топливный элемент, который выдавал 5 кВт и мог питать сварочный аппарат. Представленное устройство он назвал «Bacon Cell».
В октябре того же года был создан уникальный трактор, который работал на водороде и выдавал мощность в двадцать лошадиных сил.
В шестидесятых годах двадцатого столетия американской компанией General Electric разработанная Бэконом схема была усовершенствована и применена для космических программ Apollo и NASA Gemini. Специалисты из NASA пришли к выводу, что использование ядерного реактора слишком дорого, технически сложно и небезопасно. Кроме того, пришлось отказаться от использования аккумуляторов вместе с солнечными батареями из-за их больших габаритов. Решением проблемы стали водородные топливные элементы, которые способны снабжать космический аппарат энергией, а его экипаж чистой водой.
Первый автобус, использующий в качестве топлива водород, был построен еще в 1993 году. А прототипы легковых автомобилей работающих на водородных топливных элементах были представлену уже в 1997 году такими мировыми автомобильными брендами как Toyota и Daimler Benz.
Немного странно, что перспективное экологичное топливо, реализованное пятнадцать лет назад в автомобиле до сих пор не получило повсеместного распространения. Причин этому множество, главными из которых, пожалуй, являются политическая и требовательность к созданию соответствующей инфраструктуры. Будем надеяться, что водород еще скажет свое слово и составит ощутимую конкуренцию электрическим автомобилям.{odnaknopka}
energycraft.org
Создано 14.07.2012 20:44 Автор: Алексей Норкин
Наше материальное общество без энергии не может не только развиваться, но и вообще существовать. Откуда берется энергия? До недавнего времени люди использовали всего один способ ее получения, мы воевали с природой, сжигая добытые трофеи в топках сначала домашних очагов, затем паровозов и мощных тепловых электростанций.
На потребленных современным обывателем киловатт-часах отсутствуют этикетки, где указывалось бы, сколько лет трудилась природа, чтобы цивилизованный человек мог насладиться благами технологий, и сколько лет ей еще предстоит трудиться, чтобы сгладить вред, нанесенный ей такой цивилизацией. Однако в обществе зреет понимание, что рано или поздно иллюзорная идиллия закончится. Все чаще люди изобретают способы обеспечения энергией своих потребностей с минимальным ущербом для природы.
Водородные топливные элементы – Святой Грааль чистой энергии. Они перерабатывают водород, один из распространенных элементов периодической системы и выделяют лишь воду, самое распространенное на планете вещество. Радужную картину портит отсутствие у людей доступа к водороду, как веществу. Его много, но только в связанном состоянии, и добыть его куда сложнее, чем выкачать из недр нефть или выкопать уголь.
Один из вариантов чистого и безвредного для природы получения водорода – микробные топливные элементы (МТБ), использующие микроорганизмы для разложения воды на кислород и водород. Здесь тоже не все гладко. Микробы прекрасно справляются с задачей получения чистого топлива, но для достижения требуемой на практике эффективности МТБ нужен катализатор, ускоряющий одну из химических реакций процесса.
Этот катализатор – драгоценный металл платина, стоимость которого делает использование МТБ экономически неоправданным и практически невозможным.
Ученые из Университета Висконсин-Милуоки нашли замену дорогому катализатору. Вместо платины они предложили использовать дешевые наностержни из комбинации углерода, азота и железа. Новый катализатор представляет собой графитовые стержни с внедренным в поверхностный слой азотом и с сердечниками из карбида железа. В течение трехмесячного тестирования новинки, катализатор продемонстрировал возможности выше, чем у платины. Работа наностержней оказалась более стабильной и управляемой.
И что самое главное, детище университетских ученых значительно дешевле. Так стоимость платиновых катализаторов составляет примерно 60% стоимости МТБ, в то время как расходы на наностержни укладываются в 5% их нынешней цены.
По словам создателя каталитических наностержней профессора Юхонг Чена (Junhong Chen): «Топливные ячейки способны напрямую преобразовывать топливо в электричество. Вместе с ними электрическая энергия из возобновляемых источников может быть доставлена туда, куда необходимо, что чисто, эффективно и устойчиво».
Сейчас профессор Чен вместе со своей командой исследователей занят изучением точных характеристик катализатора. Их цель придать своему изобретению практическую направленность, сделать его пригодным для массового производства и применения.
По материалам Gizmag
www.facepla.net
Водородные топливные элементы и энергетические системы
Автомобиль работающий на воде скоро может стать настоящей реальностью а водородные топливные элементы будут установлены во многих домах...
Технология водородных топливных элементов не нова. Она началась в 1776 году, когда впервые Генри Кавендиш открыл водород во время растворения металлов в разбавленных кислотах. Первый водородный топливный элемент был изобретен уже в 1839 году Уильямом Гроув. С тех пор, водородные топливные элементы постепенно совершенствовались и в настоящее время они устанавливаются в космических челноках, снабжая их энергией и служа источником воды. Сегодня, технология водородных топливных элементов находится на грани появления их на массовом рынке, в автомобилях, домах и в портативных устройствах.
В водородном топливном элементе химическая энергия (в виде водорода и кислорода) преобразуется непосредственно (без горения) в электрическую энергию. Топливный элемент состоит из катода, электродов и анода. Водород подается в к аноду, где он разделяется на протоны и электроны. У протонов и электронов разные маршруты к катоду. Протоны движутся через электрод к катоду, а электроны чтобы добраться до катода проходят вокруг топливных элементов. Это движение создает в последствии используемую электрическую энергию. На другой стороне, протоны водорода и электроны в сочетании с кислородом, образуют воду.
Электролизеры являются одним из способов извлечения водорода из воды. Процесс в основном противоположен тому, что происходит при работе водородного топливного элемента. Электролизер состоит из анода, электрохимической ячейки и катода. Вода и напряжение подаются на анод, который расщепляет воду на водород и кислород. Водород проходит через электрохимическую ячейку к катоду а кислород подаётся к катоду напрямую. Оттуда, водород и кислород могут быть извлечены и сохранены. Во время, когда электричество не требуется производить, скопившийся газ может быть выведен из хранилища и пропущен обратно через топливный элемент.
В качестве топлива эта система использует водород, наверное именно поэтому имеется много мифов о её безопасности. После взрыва "Гинденбурга" многие далёкие от науки люди и даже некоторые учёные стали считать что использование водорода очень опасно. Однако недавние исследования показали, что причина этой трагедии была связана с типом материала, который использовался в строительстве, а не с водородом, который был закачан внутрь. После проведённых испытаний на безопасность хранения водорода было обнаружено, что хранение водорода в топливных элементах является более безопасным, чем хранение бензина в топливном баке автомобиля.
Сколько же стоят современные водородные топливные элементы? В настоящее время компании предлагают водородные топливные системы производящие энергию по цене около $ 3000 за киловатт. Маркетинговые исследования установили, что когда стоимость упадет до $ 1500 за киловатт, потребители на массовом рынке энергоресурсов готовы будут перейти на этот вид топлива.
Автомобили на водородных топливных элементах по-прежнему более дороги, чем автомобили на двигателях внутреннего сгорания, но производители исследуют способы довести цену до сопоставимого уровня. В некоторых отдаленных районах, где нет линий электропередач, использование водорода в качестве топлива или автономное электроснабжение дома может быть более экономичным уже сейчас, чем например создание инфраструктуры для традиционных энергоносителей.
Почему же водородные топливные элементы до сих пор не получили широкого распространения? На данный момент их высокая стоимость является основной проблемой для распространения водородных топливных элементов. Водородные топливные системы на данный момент просто не имеют массового спроса. Однако наука не стоит на месте и уже в скором будущем автомобиль работающий на воде может стать настоящей реальностью.
www.tesla-tehnika.biz
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Растущие потребности потребления энергии требуют поиска её перспективных источников. В решении этой проблемы немаловажную роль могут сыграть источники тока, называемые топливными элементами.
Цель данного проекта - ознакомившись с принципами работы топливных элементов, изготовить действующую модель данного вида источника электрической энергии. Задача работы : изучив теоретический материал по основам функционирования топливных элементов и ознакомившись с существующими типами этих источников тока, изготовить действующую авторскую модель элемента. Был выбран именно этот источник тока, так как в нём энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую без применения различных промежуточных устройств.
Гипотеза - возможность самостоятельной разработки и создания авторской модели топливного элемента. Объект исследования : источники тока - топливные элементы. Предмет исследования - технические и электрические характеристики этих источников тока. Методы исследования - изучение необходимого теоретического материала, выполнение экспериментов по созданию собственной работоспособной топливной ячейки для водородно - кислородного топливного элемента со щелочным электролитом и проведение испытаний работы полученного источника тока. Практическая значимостьи актуальность проекта не подлежат сомнению.Топливные элементы очень интересны и перспективны ввиду того, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду. Таким образом, они высокоэффективны, бесшумны, не загрязняют атмосферу и, следовательно, имеют преимущества с точки зрения экологии.
Новизна проекта: создание собственной работоспособной топливной ячейки для водородно - кислородного топливного элемента со щелочным электролитом (как протонно-обменную мембрану автор использовал микроканальную пластину, как бесплатиновый катализатор - игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом).
2. Теоретическая часть.
2.1. Топливные элементы
Топливный элемент - устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент (ТЭ) подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Как и батарея он имеет анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. ТЭ могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока имеют запас топлива и воздуха.
Несмотря на то, что первые топливные элементы появились более 100 лет назад, до сих пор не удалось создать «идеальный» топливный элемент. Существующие в настоящее время топливные элементы строятся по различным схемам, работают при температурах от комнатных до нескольких сотен градусов, используют жидкое или газообразное топливо. Все их объединяет то, что и топливо, и окислитель подводится из внешних резервуаров. Таким образом, количество электрической энергии, которую может произвести топливный элемент, ограничено только емкостью этих внешних хранилищ. Емкость их может быть практически бесконечной.
Преимущества. В отличие от традиционных гальванических элементов или аккумуляторов, в которых топливо и окислитель хранятся внутри корпуса и не могут быть заменены или добавлены по мере израсходования, некоторые типы топливных элементов можно использовать сразу после подачи топлива и окислителя (другие типы требуют предварительной процедуры запуска). Топливные элементы, использующие жидкое топливо, имеют значительно более высокий КПД по сравнению с традиционными двигателями на таком же топливе и соединенными с электрическим генератором. Топливный элемент преобразует реакцию окисления топлива непосредственно в электрическую энергию без промежуточных устройств.
Недостатки. К ним относят дороговизну платиновых катализаторов, являющихся обязательной составной частью многих типов топливных элементов. Возможность необратимого «отравления» такого катализатора в случае применения топлива с загрязнениями. И как следствие или полная неработоспособность топливного элемента, или потеря мощности с одновременным ухудшением коэффициента полезного действия. Также существует проблема безопасного хранения больших объемов водорода в случае водородно-кислородных ТЭ. Следующий недостаток - неспособность ТЭ обеспечивать кратковременные пиковые мощности. (Приходится дополнительно устанавливать аккумуляторы традиционных конструкций).
В настоящее время ведётся поиск эффективных бесплатиновых катализаторов и протонно-обменных мембран, а также оптимизация конструкции электродов и совершенствование способов хранения топлива в случае использования ТЭ для транспортных средств.
2. 2. Типы топливных элементов
Рассмотрим некоторые виды ТЭ. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и др., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. ТЭ вырабатывают электричество напрямую путем бесшумной электрохимической реакции. Единственным продуктом выброса при работе являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. ТЭ собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули. Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы ТЭ годятся для использования в стационарных электростанциях, другие для небольших портативных устройств или для питания автомобилей и т. д. .
ТЭ делятся на высокотемпературные и низкотемпературные.
Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования.
Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
2.2.1. Топливный элемент с полимерной мембраной обмена
Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из перспективных технологий топливных элементов. Он состоит:
1. Анод - негативная клемма ТЭ. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего электроны используются во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.
2. Катод — позитивная клемма ТЭ, также имеет каналы для распределения уже кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.
3. Электролит - протонно-обменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.
4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.
Реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 В. Чтобы повысить напряжение, много отдельных топливных элементов должны быть объединены.
2.2.2. Водородно-кислородный топливный элемент
Это - химический источник тока, в котором осуществляется непрерывная подача активных веществ извне в зону электрохимической реакции. Рис. 1.Он работает при обычных или слегка повышенных температурах с применением водных электролитов. Элементы этого типа характеризуются наличием изготовленных из соответствующих электропроводящих материалов (уголь, никель и др.) пористых электродов, которые частично пропитаны электролитом, но сохраняют газопроницаемость. На внутренней поверхности пор, куда поступают активные газы (водород и кислород) происходят электродные процессы, заключающиеся в переходе адсорбированных газов в ионное состояние и являющиеся источником электродвижущей силы элемента.
Основное преимущество предлагаемого водородно-кислородного ТЭ заключается в том, что созданная вначале (при изготовлении элемента) степень пропитки электродов остается почти постоянной, так как дальнейшая самопроизвольная пропитка электродов из загущенного электролита не происходит. Или это имеет место лишь в незначительной степени, что обусловливает высокую стабильность работы электродов . Изделие работает без повышенного давления газа.
Недостатком электродов, работающих без повышенного давления газа, является значительно меньшая плотность тока, которую способны выдерживать такие электроды.
Рассмотрим подробнее водородно-кислородный топливный элемент с водным электролитом и пористыми электродами из никеля, угля или иного электропроводного материала, работающий без применения избыточного давления подаваемого газа (в частности, воздуха). ТЭ отличается тем, что, в целях предотвращения постепенного промокания электродов, а также увеличения стабильности и величины разрядного тока, применен электролит в загущенном состоянии. Электродные пластины обеих полярностей (или одной из них - преимущественно положительные) составлены из большого числа узких тонких пластинок, расположенных параллельно одна другой и перпендикулярно к плоскости электродной пластины. Они разделены на части тонкими пористыми прокладками, пропитанными электролитом, а на остальной части газом (водородом для отрицательного электрода и кислородом или воздухом для положительного электрода).
Кислородно-водородный элемент со щелочным электролитом — один из наиболее перспективных современных топливных элементов. Его преимущества заключаются в относительной простоте конструкции, высокой степени надежности, возможности использовать газы без специальной очистки и при низком парциальном давлении, включая использование атмосферного кислорода. Кроме того, этот элемент сохраняет достоинства лучших топливных элементов других систем: непрерывность работы в течение относительно длительного времени, отсутствие вредных выделений, высокий коэффициент использования активных веществ, стабильность напряжения.
2.2.3. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) - одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы - одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН -), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e - Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH - Общая реакция системы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O.
Достоинством ЩТЭ является то, что они дешевле в производстве, так как цена на их катализаторы ниже. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных ТЭ.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ - высокая чувствительность к CO 2 , который может содержаться в топливе или воздухе. CO 2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность ТЭ. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H 2 O и CH 4 , которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ .
3. Экспериментальная часть
Для проведения экспериментов было решено изготовить действующую модель водородно-кислородной топливной ячейки со щелочным электролитом (раствор КОН). Так как для работы такой ячейки необходимы газообразные водород и кислород, так же пришлось изготовить устройство для их непрерывного получения - электролизер. В силу того, что ячейка при своей работе нагревается, электролизер был дополнен охладителем газов на базе термоэлектрического холодильника на элементе Пельтье. Электролизер, также нагревается до температуры 35 - 40 °С.
3.1. Изготовление топливной ячейки
Топливная ячейка представляет собой трехслойную сендвичевую конструкцию. Со сторонами 8 Х 8 см и толщиной 7 мм. Основа конструкции пластины из прозрачного поликарбоната. На рисунке 2 показан вид на боковую пластину. Видны штуцера для подвода газа, электрический контакт и винты, стягивающие конструкцию в единое целое. На рисунке 3 показан вид на топливную ячейку с торцевой поверхности.
В центральной части сделано круглое окно, куда вклеена протонно-обменная мембрана. В качестве мембраны использована микроканальная пластина. В каналах мембраны за счет капиллярных сил хорошо удерживается электролит - 5% раствор KOH. Большое количество отверстий микронных размеров обеспечивает беспрепятственный транспорт протонов через пластину, которая является диэлектрическим изолятором. Она химически инертна по отношению к едкому калию КОН. Внешний вид центральной секции с микроканальной пластиной представлен на рисунке 4.
На боковых частях топливной ячейки наклеена алюминиевая фольга, являющаяся электрическим контактом для электродов. Электроды представляют собой диски из углевойлока. Углевойлок удовлетворяет основным требованиям для успешного функционирования топливной ячейки, а именно - высокая электропроводность, пористость структуры для прохода газа и развитость поверхности для эффективной работы катализатора, а также химическая инертность по отношению к электролиту КОН. Боковых частей две. Внешний вид пластины представлен на рисунке 5.
По периметру топливная ячейка собирается в единый пакет с помощью 9 винтов. В боковых частях закреплены штуцеры для подвода и удаления газа.
3.2. Изготовление электролизера для непрерывного получения водорода и кислорода
Главная часть электролизера представляет собой U- образную стеклянную трубку, заполненную 10% раствором KOH. Водород и кислород получаются при разложении дистиллированной воды под действием электрического тока. Электроды пропущены через верхние резиновые пробки, вставленные в открытые колена трубки. Внешний вид полностью собранного электролизера, с подключенной к нему топливной ячейкой - рис. 6. Получающиеся в процессе работы газы отводятся через систему шлангов, подсоединенных к верхним частям стеклянной трубки. В силу того, что дистиллированная вода обладает значительным сопротивлением, и скорость ее разложения будет незначительной, в воду добавлена щелочь - едкий калий КОН. Сопротивление резко снижается, возрастает сила тока и, как следствие, скорость разложения воды на водород и кислород. Для химической стойкости электроды, погруженные в раствор, выполнены из никеля.
В процессе работы уровень электролита понижается за счет разложения воды и его приходится доводить до уровня, добавляя новые порции воды. При этом щелочь не расходуется. Для пополнения уровня воды без разгерметизации электролизера, в одну из верхних резиновых пробок подсоединен шприц с водой. За один час работы электролизера при напряжении 14 В и силе тока 2 А образуется около 120 см 3 Н 2 и 60 см 3 О 2 . Скорости получения газов достаточно для проведения эксперимента. Также, учитывая взрывоопасность смеси Н 2 и О 2, скорость их получения недостаточна для образования гремучего газа в помещении. Водород и кислород поступают каждый по своей магистрали, объединяясь только внутри топливной ячейки. Поток газов можно направлять сразу в топливную ячейку или запасать в шприцах, объемом по 60 см 3 , подключенных к магистралям. При этом поток газов к ячейке перекрывается роликовыми зажимами.
Все основные элементы электролизера закреплены на универсальном штативе с помощью муфт и зажимов. Источником питания служит регулируемый лабораторный блок питания. Получающийся в процессе разложения водород и кислород проходят через охладитель на элементе Пельтье. Охладитель представляет собой собственно элемент Пельтье, на холодном спае которого с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8 установлена алюминиевая пластина с закрепленными на ней медными трубками для протока газов. Скорость протока газа небольшая. Поэтому газ успевает охладиться до температуры +10 °С на выходе, при температуре +20 °С на входе. Горячий спай охлаждается медным пластинчатым радиатором с принудительным обдувом воздухом. Радиатор также закреплен на горячем спае элемента Пельтье с использованием теплопроводящей пасты КПТ-8. Рис.7.
Таким образом, газы предварительно охлаждаются, что повышает их плотность и позволяет пользоваться ячейкой без принятия мер по ее принудительному охлаждению. В процессе получения электричества ячейка подвержена саморазогреву в результате взаимодействия водорода с кислородом. При работе ячейки вырабатывается электричество и образуется вода. Этот процесс, по сути, является горением водорода в атмосфере кислорода. Поэтому нагрев ячейки - нормальное явление. Потребляемая сила тока в 5 А складывается из тока, потребляемого электролизером, элементом Пельтье и вентилятором, охлаждающим горячий спай элемента Пельтье.
Для подтверждения работоспособности топливной ячейки при использовании в ней в качестве катализатора игольчатых монокристаллов оксида молибдена, активированных золотом, был проведён опыт с ячейкой без катализаторов. Цель: измерение ЭДС ячейки. После подключения собранной ячейки к электролизеру она была выдержана в потоке газов в течении 15 минут, для гарантированного удаления из пористых электродов атмосферных газов. Перед опытом ячейку разобрали. Протонно-обменную мембрану смочили раствором электролита - 5% раствором КОН. Максимальное значение ЭДС которое удалось получить: 15,5 мВ. Т.е. без катализаторов Н 2 и О 2 взаимодействуют, но незначительно.
В следующем эксперименте на торцевые части углеродных пористых электродов был нанесен слой катализатора, представляющего собой игольчатые монокристаллы оксида молибдена, легированные золотом. Ячейку для этого разбирали. Катализатор наносился на оба электрода. Измельченный катализатор (рис.8) насыпали на поверхность электрода и равномерно распределили. Он был на той части электрода, которая обращена к алюминиевому покрытию. Ячейку собрали и подключили к электролизеру. Её выдержали в потоке газов в течение 15 минут. Максимальное значение ЭДС в случае применения катализаторов: 600 мВ. Т.е. катализатор значительно увеличил количество водорода и кислорода, реагирующих друг с другом. (Лучшие из известных конструкций аналогичных топливных ячеек со щелочным электролитом и катализаторами на основе платины, имеют ЭДС немного больше 1В.)
4. Заключение
Результаты проекта:1.Изучены теоретические основы функционирования водородно-кислородных ТЭ со щелочным электролитом. 2.Изготовлена действующая разборная модель топливной ячейки с протонно-обменной мембраной из микроканальной пластины и углеродными пористыми электродами. 3. Изготовлен электролизер для получения водорода и кислорода. 4. Проведен эксперимент по эффективному применению в качестве бесплатинового катализатора игольчатых монокристаллов МоО 3 , легированного золотом.
5. Литература
1. «Юсти Э., Винзель А. Топливные элементы. - М.: Мир, 1964. - 305 c.
2 http vezdehod-strannik.ru
3. http://att-vesti.neva.ru/J33-2.HTM
4. В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян. Химические источники тока: - М.:Мир,1990. - 240 c.
5. https://postnauka.ru/faq/59642#!
6. Приложения
Рис. 1 - Процессы, происходящие при работе ТЭ
Рис. 2 - Топливная ячейка. Рис. 3 - Вид с торцевой поверхности
Рис. 4 - Центральная секция с мембраной Рис. 5 - Боковая крышка.
Рис. 7 - Термоэлектрический охладитель на элементе Пельтье
Рис. 8 а - Катализатор (оксид молибдена МоО 3 ) увеличение в 400 раз; б - изображение на атомно-силовом микроскопе (Центр коллективного пользования Северо - Осетинский государственный университет)
Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.
Описание:
Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое
устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов
.
Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода - анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.
Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:
– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),
– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),
– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,
– надежность при холодном пуске,
– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),
– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,
– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,
– высокая энергоемкость,
– толерантность к примесям в водороде,
– длительный срок службы,
– экологичность и бесшумность работы.
Применение:
– системы энергоснабжения для БПЛА,
– портативные зарядные устройства,
– источники бесперебойного питания,
– другие устройства.
В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.
На сегодняшний день существует
множество разных типов батареек, среди
которых все сложнее ориентироваться.
Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор
отличается от суперконденсатора и почему
водородный топливный элемент можно
использовать, не опасаясь нанести
вред окружающей среде. В этой статье
мы расскажем о том, как для получения
электроэнергии используются химические
реакции, в чем разница между основными
типами современных химических источников
тока и какие перспективы открываются
перед электрохимической энергетикой.
Химия как источник электричества
Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.
Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.
Схема гальванического элемента
Wikimedia commons
Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким - это может быть и полимерный, и керамический материал.
Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.
Пальчиковые щелочные батарейки
Возможность перезарядки
Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора - источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.
Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор
На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.
Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона
Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые образование взрывоопасных структур, и компоненты, возгорание на ранних стадиях.
Твердый электролит
В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы - в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .
Водородные топливные элементы
Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.
Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.
Наиболее подходящее вещество такого типа - газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.
Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство - совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.
Принципиальная схема работы водородного топливного элемента
Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду - окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.
Водородный топливный элемент Toyota
Joseph Brent / flickr
Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O 2– , как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.
Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.
Эффективность топливных элементов
Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.
Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых , например, графеновые мембраны.
В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.
Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.
Альтернативные электрохимические накопители
Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) - устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.
Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов - высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!
Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых .
* * *
Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.
N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?
Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.
Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.
Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов - «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».
Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых - топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.
Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.
Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?
Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.
Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?
Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом
высокотемпературной электрохимии
(ИВТЭ) Уральского отделения Российской
академии наук работают над созданием
высокоэффективных электрохимических
устройств и автономных генераторов
электроэнергии для применений в
распределенной энергетике .
Создание энергоустановок для распределенной
энергетики изначально подразумевает
разработку гибридных систем на основе
генератора электроэнергии и накопителя,
в качестве которых выступают аккумуляторы.
При этом топливный элемент работает
постоянно, обеспечивая нагрузку в
пиковые часы, а в холостом режиме заряжает
аккумулятор, который может сам выступать
резервом как в случае высокого
энергопотребления, так и в случае
внештатных ситуаций.
Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.
В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.
Александр Дубов
