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.
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
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.
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- .
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.
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.
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
Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.
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.
– 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.
– системы энергоснабжения для БПЛА,
– портативные зарядные устройства,
– источники бесперебойного питания,
– другие устройства.
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)
Когда-то в будущем, о начале нашего века возможно скажут, что растущие цены на нефть и беспокойство об окружающей среде привели к резкому расширению кругозора автопроизводителей и заставили их разрабатывать и внедрять все новые и новые виды топлива и двигателей.
Одним из этих видов топлива будут называть водород. Как известно, при соединении водорода и кислорода получается вода, а значит, если поставить этот процесс в основу двигателя автомобиля, то выхлопом будет не смесь опасных газов и химических элементов, а обычная вода.
Не смотря на некоторые технические сложности, связанные с использованием водородных топливных элементов (ТЭ), автопроизводители не собираются сдаваться и уже разрабатывают свои новые модели с водородом в качестве топлива. На Франкфуртском автосалоне 2011 года можно было видеть как один из флагманов автоиндустрии, Daimler AG представила публике несколько прототипов Mercedes-Benz с водородным двигателем. В этом же году корейская Hyndai объявила, что откажется от разработок электромобилей и сконцентрируется на разработке автомобилей, которые будут использовать водородные топливные элементы.
Не смотря на это активное развитие, не так много людей точно представляют себе, что именно представляют собой эти водородные ТЭ и что у них внутри.
Для того, чтоб прояснить ситуацию, давайте обратимся к истории водородных топливных элементов.
Первым, кто теоретически описал возможность создания водородного ТЭ, был немец Christian Friedrich Schönbein. В 1838 году он описал принцип в одном из научных журналов того времени.
Годом позже. В 1939, судья из Уэльса, сэр Sir William Robert Grove создал и продемонстрировал практически работающую водородную батарею. Но заряда, производимого батареей, было недостаточно, чтоб изобретение получило широкое употребление.
Термин «топливный элемент» был впервые использован в 1889 исследователями Ludwig Mond и Charles Langer, которые совершили попытку создать работающий ТЭ с использованием воздуха и коксового газа. По другой версии, первым, кто использовал термин «топливный элемент», был William White Jaques. Он также был первым, кто использовал фосфорную кислоту в электролитной ванне.
В 1920-х годах исследования, проведенные в Германии, открыли пути использования карбонатного цикла и твердооксидных топливных элементов, которыми пользуются сейчас.
В 1932 инженер Francis T Bacon начал свое исследование водородных ТЭ. До него, исследователи использовали пористые электроды из платины и серную кислоту в электролитной ванне. Платина делала производство очень дорогим, а серная кислота создавала дополнительные сложности из-за своей едкости. Бэйкон заменил дорогую платину на никель, а серную кислоту - на менее едкий щелочной электролит.
Бэйкон постоянно совершенствовал свою разработку и в 1959 году смог представить публике 5-киловаттный топливный элемент, который был способен снабжать энергией сварочный аппарат. Исследователь назвал свой ТЭ «Bacon Cell».
В октябре того же 1959 года Harry Karl Ihrig продемонстрировал трактор мощностью в 20 лошадиных сил, который стал первым в мире транспортным средством, получавшим питание от топливного элемента.
В 1960-х годах американская General Electric использовала принцип работы топливного элемента Бэйкона и разработала систему генерации электроэнергии для космических программ NASA Gemini и Apollo. NASA просчитали, что использовать ядерный реактор было бы слишком дорого, а обычные аккумуляторы или солнечные батареи требовали слишком много пространства. Кроме того, водородные топливные элементы могли одновременно снабжать корабль электроэнергией, а экипаж - водой.
Первый автобус на водородном ТЭ был построен в 1993 году. В 1997 году автопроизводители Daimler Benz и Toyota представили свои прототипы легковых автомобилей.
— facepla.net —А про работы по теме ТЭ в СССР забыли сказать, да?
при получении электричества будет образовываться вода. и чем больше первого тем больше и её. А теперь представим себе как быстро капельки забьют все топливные ячейки и каналы прохода газов – Н2, О2 А как будет работать этот генератор при минусовой температуре?
вы предлагаете сжечь десятки тон угля,выбросив в атмосферу тонны сажи получить водород,чтоб получить пару ампер тока для новомодной тесло?!
где жеж тут экономия с экологией?!
Вот оно – костность мышления!
Зачем сжигать тоны угля? Мы живем в 21 веке и уже есть технологии позволяющие получать энергию вообще ничего не сжигаю. Остается только грамотно аккумулировать эту энергию для удобного дальнейшего использования.
Преимущества топливных элементов/ячеек
Топливный элемент / ячейка – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы/ячейки не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы/ячейки могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха.
В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы/ячейки не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибрации. Топливные элементы/ячейки вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов/ячеек является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. 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. Топливные элементы/ячейки собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.
В 1950х и 1960х годах одна из самых ответственных задач для топливных элементов родилась из потребности Национального управления по аэронавтике и исследованиям космического пространства США (NASA) в источниках энергии для длительных космических миссий. Щелочной топливный элемент/ячейка NASA использует в качестве топлива водород и кислород, соединяя эти два химических элемента в электрохимической реакции. На выходе получаются три полезных в космическом полете побочных продукта реакции – электричество для питания космического аппарата, вода для питья и систем охлаждения и тепло для согревания астронавтов.
Открытие топливных элементов относится к началу XIX века. Первое свидетельство об эффекте топливных элементов было получено в 1838 году.
В конце 1930х начинается работа над топливными элементами со щелочным электролитом и к 1939 году построен элемент, использующую никелированные электроды под высоким давлением. В ходе Второй Мировой Войны разрабатываются топливные элементы/ячейки для подлодок британского флота и в 1958 году представлена топливная сборка, состоящая из щелочных топливных элементов/ячеек диаметром чуть более 25 см.
Интерес возрос в 1950-1960е годы, а также в 1980е, когда промышленный мир пережил нехватку нефтяного топлива. В этот же период мировые страны также озаботились проблемой загрязнения воздуха и рассматривали способы экологически чистого получения электроэнергии. В настоящее время технология производства топливных элементов/ячеек переживает этап бурного развития.
Топливные элементы/ячейки вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.
Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород - на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Ниже приведена соответствующая реакция:
Реакция на аноде: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливного элемента зависит от его применения.
Топливные элементы 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.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO 3 2-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.
Реакция на аноде: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катоде: СO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Общая реакция элемента: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O(g) + CO 2 (анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.
Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 3,0 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 110 МВт.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H 3 PO 4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов, в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катоде: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО 2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 500 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О 2-).
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О 2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4e - => 2O 2-
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60-70%. Высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 75%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH 3 OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО 2 , ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катоде: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Общая реакция элемента: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.
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°C до 220°C. 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 - => 4 OH -
Общая реакция системы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов - такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.
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 топливного элемента. 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 CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H 2 O + (протон, красный) присоединяется к молекуле воды). Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°C.
В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO 4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°C. Вращение окси анионов SO 4 2- позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
Модуль топливного элемента
Инновационные энергосберегающие коммунально-бытовые теплоэнергетические установки обычно построены на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), полимерных электролитных топливных элементах (ПЭТЭ), топливных элементах на фосфорной кислоте (ФКТЭ), топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ) и щелочных топливных элементах (ЩТЭ). Обычно имеют следующие характеристики:
Наиболее подходящими следует признать твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), которые:
| Тип топливной элементы | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| РКТЭ | 550–700°C | 50-70% | Средние и большие установки | |
| ФКТЭ | 100–220°C | 35-40% | Чистый водород | Большие установки |
| МОПТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
| ТОТЭ | 450–1000°C | 45-70% | Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
| ПОМТЭ | 20-90°C | 20-30% | Метанол | Переносные |
| ЩТЭ | 50–200°C | 40-70% | Чистый водород | Космические исследования |
| ПЭТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
Поскольку малые теплоэнергетические установки могут подключаться к обычной сети подачи газа, топливные элементы не требуют отдельной системы подачи водорода. При использовании малых теплоэнергетических установок на основе твердооксидных топливных ячеек вырабатываемое тепло может интегрироваться в теплообменники для нагрева воды и вентиляционного воздуха, увеличивая общую эффективность системы. Эта инновационная технология наилучшим образом подходит для эффективной выработки электричества без необходимости в дорогой инфраструктуре и сложной интеграции приборов.
Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.
Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.
С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.
Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:
Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.
Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.
Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.
На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.
Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.
Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.
Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.
При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.
Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.
Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.
Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.
Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.
Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:
Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:
Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.
Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.
Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.
Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.
Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.
Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.
На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.
Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.
Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.
Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.
