Cерийное будущее: Революционный пакет водородных топливных ячеек. Водородная топливная ячейка. Топливная водородная ячейка

Водородные топливные ячейки – энергия будущего

Новые источники энергии для электротранспорта.

С приходом эпохи промышленной революции, человечество стало испытывать недостаток в мощных источниках энергии. Получение энергии с помощью работы пара, - первая массовая технология превращения тепловой энергии в механическую,- процесс довольно несовершенный. В качестве топлива для паровых котлов использовались невозобновляемые ресурсы – уголь и мазут. И хотя до середины 20 века, это ещё не рассматривалось как серьёзный недостаток, малый КПД таких систем, который даже вошёл в поговорку («КПД – как у паровоза») и смог от дыма в промышленных районах, вынуждал ученых и инженеров искать новые пути получения энергии. Тут и пришли на помощь чистые и мощные источники – водородные топливные ячейки, к созданию которых учёные подбирались целых полтора века.

История водородной энергетики.

В 1839 году английский исследователь Уильям Грове прославился благодаря созданию постоянного гальванического элемента (элемент Грове), но в истории он запомнился не только этим изобретением. Во время экспериментов с электролитической ячейкой, исследуя процесс электролиза, ученый открыл процесс электрохимического холодного горения водорода. Это явление стало знаменательным событием в энергетике и сыграло большую роль в развитии электрохимии, а впоследствии привело к созданию первых топливных элементов.

В 1889 году изобретателями Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером был предложен термин «топливный элемент». Они пытались создать устройство для выработки энергии из угольного газа и воздуха, используя реакции окисления органического топлива.

Множество исследователей по всему миру продолжали исследования в этой сфере, например, ученый Спиридонов изобрёл водородно-кислородный элемент с плотностью тока 30 мА на 1см2 рабочей поверхности.

В 20-х годах 20 века германские исследователи открыли способ использования твердооксидных топливных элементов и карбонатного цикла, которым пользуются и в наше время. В 40-е годы 20 века, О.Давтян создал установку, работающую на основе электрохимического сжигания генераторного газа. Из 1 кубометра газа, машина вырабатывала 5 кВт часов электроэнергии. Это был первый топливный элемент на твёрдом электролите с достаточно высоким КПД.

Английский исследователь Томас Бэкон доработал конструкцию топливных элементов того времени: заменил дорогую платину, используемую в качестве катализатора, на никель, а едкую серную кислоту – на щелочной электролит, тем самым уменьшив стоимость и увеличив время работы подобных устройств. В 1959 он сконструировал батарею топливных элементов с КПД 80% и общей мощностью 6кВт, однако её размеры были слишком велики для практического применения.

С середины 60-х годов прошлого века, топливные элементы привлекли внимание создателей космических аппаратов, что позволило выйти на новый уровень развития электрохимии. Американская компания General Electric доработала устройство Бэкона и создала электрогенерирующие системы для космических программ Apollo и Gemini. Плюсами использования топливных ячеек были малые размеры и способность обеспечивать экипаж не только энергией, но и водой, однако проблемы с долговечностью, стабильностью и безопасностью так и оставались нерешёнными, а вырабатываемая сила тока была сравнительно небольшой (от 100 до 200 мА/см2 рабочей поверхности ячейки), поэтому дальнейшего развития программа не получила.

В 90-х годах интерес к подобным источникам энергии опять возобновился. Это связано с глобальными экологическими проблемами, а также с исчерпанием углеводородных ресурсов, - основного источника энергии по сегодняшний день. Ведь в топливных элементах конечным продуктом горения является вода, что делает их наиболее чистыми и безопасными для природы и человека.

Принцип работы топливных ячеек.

В наше время в топливных ячейках используется два типа электролита: кислота или щелочь. От типа зависят и химические реакции, которые проходят в самом элементе.

Топливные элементы со щелочным электролитом работают по принципу, описанному реакциями на рисунке. Водород, поступающий через анод, в присутствии катализатора реагирует с ионами гидроксила (OH–), образуя воду и электрон. На катоде кислород вступает в реакцию с электронами внешней цепи и водой, образуя ионы гидроксила и пергидроксила. Результирующая реакция, проходящая на катоде, позволяет сохранять баланс вещества и заряда в электролите.

В современных топливных элементах с кислым электролитом, водород подаётся через полый анод, поступая через мелкие поры в материале электрода, и попадает в электролит. В процессе хемосорбции происходит разложение молекул водорода на атомы, превращающиеся в ионы с положительным зарядом, отдавая по одному электрону. Кислород подаётся на катод и также поступает в электролит, вступая в реакцию с водородом при участии катализатора. При соединении кислорода с водородом и электронами внешней цепи образуется вода.

Процессы, которые происходят в топливных элементах, по своей природе являются обратными процессу электролиза. Во время реакций часть энергии превращается в тепло, а поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, использующийся для совершения работы. Большинство реакций обеспечивают ЭДС около 1В.

Метаноловый топливный элемент.

В наше время ведутся разработки топливных элементов, в которых углеводородное топливо может использоваться в качестве источника водорода. Это так называемые метаноловые топливные элементы. В их конструкции появляется новый элемент – топливный преобразователь, что увеличивает их размер, однако решается проблема с топливом: метиловый спирт производится для химической промышленности в больших количествах, его транспортировка и хранение не составляют никаких проблем, а процесс зарядки источника сильно упрощается. Единственный минус такого источника – его меньшая эффективность. Существует возможность использования этилового спирта в качестве топлива для подобных источников. Это решило бы проблему с токсичностью метанола, однако эффективность работы этиловых топливных элементом еще меньше.

Топливные элементы современности.

За время разработок, были построены несколько типов топливных элементов, различающихся типом электролитов и видом топлива. Это элементы на щелочном электролите, фосфорно-кислотные топливные элементы, элементы на расплавленных карбонатах и твердооксидные топливные ячейки. Кроме стандартных водород-кислородных и метанольных источников тока могут существовать элементы, работающие на совершенно других видах топлива. Например, электроэнергию можно получать при окислении цинка, натрия и магния, изготавливая расходуемые электроды.

В наше время с этим видом источников энергии существует еще множество проблем, среди которых: снижение эффективности вследствие оммических потерь, диффузионных и поляризационных потерь, саморазогрев системы вследствие неэффективной работы теплоотвода, большие размеры подобных устройств.

/div>

Однако плюсов у водородных топливных ячеек гораздо больше, чем минусов. Чего стоит только абсолютная экологичность и достаточно высокий КПД. В отличие от современных паротурбинных установок, коэффициент полезного действия которых не превышает 40%, в существующих топливных элементах почти 70% энергии непосредственно превращается в электричество.

Водородные топливные элементы могут использоваться как в большой энергетике, так и в качестве замены стандартных источников энергии в автомобилях и бытовой технике.

В 1991 году в Калифорнии была введена в эксплуатацию электростанция, использующая технический водород в качестве топлива. В Японии такие станции работают еще с 1983 года. А по всей территории США располагаются теплофикационные установки с мощностью 40 кВт и КПД до 80%. Экологическая чистота станций на топливных батареях позволяет размещать их непосредственно в городах.

Топливные элементы на твёрдых оксидах обладают повышенной температурой работы и мощностью до 5 МВт. В качестве топлива могут использоваться продукты газификации твёрдого угля. Такими устройствами занимаются фирмы Vestingaus, Engelgird и International Fuel Cells, у каждой из которых имеются собственные разработки в области тепловых элементов.

В 1993 году был построен первый автобус, использующий энергию топливного элемента, с тех пор модели электробусов постоянно совершенствуются. В 1997 году были представлены прототипы легковых автомобилей с топливными источниками питания. Некоторые производители выпускают гибридные автомобили, в которых бензиновому двигателю помогает мотор на топливных элементах. Автомобиль PAC-Car II ,разработанный группой швейцарских ученых, считается самым быстрым и экономичным в мире и работает на водородном топливе. Чтобы объехать вокруг земного шара ему понадобится всего лишь 8 литров топлива.

Популярны топливные элементы и в области компьютерной и мобильной техники. Мобильная электроника нуждается в мощных, компактных и недорогих источниках питания, поэтому множество фирм ведёт свои разработки в этой области.

В 2004 году компания «Тошиба» продемонстрировала прототип метанолового топливного элемента с мощностью 100 мВт. 2 кубика метанола позволяют получать питание для 5 часов работы ноутбука и 20 часов работы плеера. Компания «Фуджитсу» представила свой топливный элемент, выдающий мощность 15 Вт и работающий 10 часов от 300 мл 30% раствора метанола. Источник фирмы Casio обеспечивает ноутбук энергией 20 часов.

Перспективы водородной энергетики.

Как только будет найден эффективный способ получения водорода, топливные элементы смогут использоваться повсеместно, и заменят уже привычные источники, работающие на углеводородном топливе. Для введения технологии в активное использование необходимы совершенно новые идеи. Очень большие надежды возлагают на нанотехнологии и концепцию биотопливных элементов. Недавно несколько компаний заявили о создании эффективных катализаторов из различных металлов, к тому же появились сведения о создании топливных элементов без мембран, что позволит значительно удешевить конструкции новейших топливных ячеек.

К сожалению, преимущества водородных топливных устройств пока не могут перевесить их главный недостаток – более высокую стоимость, по сравнению с устройствами, сжигающими углеводороды для получения энергии, - например двигателями внутреннего сгорания. Расходы на создание водородной энергоустановки составляют от 500 до нескольких тысяч долларов за 1 кВт. Остаётся только надеяться на новые изобретения, удешевляющие их изготовление и тогда человечество будет обеспечено мощным, компактным, а главное экологически чистым источником энергии.

ТМ « Volta bikes».

* Перепечатка без ссылки на сайт www.e-bike.com.ua запрещена и преследуется по Закону о защите авторских прав.

www.e-bike.com.ua

Водородная топливная ячейка. Топливный элемент своими руками дома. Метаноловый топливный элемент.

Топливный элемент – 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. Опять же, подобно батарее, топливный элементвключает 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. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента – это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.

Как работает электролизер?

Свет попадает в солнечный элемент, производя электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. Затем водород подают в топливный элемент, который производит электричество и зажигает лампу. Вот как очень простой электролизер делает водородный газ из воды.

Почему топливные элементы задерживаются так долго?

В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования в качестве электролита твердой полимерной мембраны, которая позволяет ионам двигаться через нее. Когда питание включено, вода расщепляется на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы кислорода. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному концу и рекомбинируют парами с образованием газообразного водорода. Аналогично, отрицательные ионы кислорода тянутся к положительной клемме и рекомбинируют парами, образуя кислородный газ.

Батарея соединяет положительную клемму с отрицательной клеммой через электролит.
В простом лабораторном эксперименте электролит может быть чистой водой.

Фото: Может быть, до того, как водородные насосы, подобные этому, станут обычным явлением.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр.,топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.

Четыре десятилетия спустя на наших улицах практически нет автомобилей на топливных элементах по разным причинам. Во-первых, мир ориентирован на производство бензиновых двигателей на миллион, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше тестируются и более надежны. Там также существует огромная экономия на нефтяной основе для поддержки бензиновых двигателей: везде есть гаражи, Может обслуживать бензиновые автомобили и автозаправочные станции по всему миру, чтобы снабжать их топливом. В отличие от этого, вряд ли кто-нибудь знает что-либо о топливных элементах автомобилей, и практически нет заправочных станций, снабжающих водород под давлением. «Водородная экономика» - далекая мечта.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Топливные элементы с гидроксидобменными мембранами

Легко понять, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас есть много электролизерных заводов по всему миру, создающих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше места, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водородный газ в жидкий водород, что упростит транспортировку и хранение, сжимая его до высокого давления. водород к заправочным станциям, где люди могли перекачивать его в свои автомобили, которые будут питаться от топливных элементов вместо обычных бензиновых двигателей.

Принцип работы топливных элементов

Топливные элементы 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).

Производство водорода электролизом использует энергию - и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы используем типичные солнечные элементы для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективными, в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая жалкую общую эффективность всего на 5 процентов. Это довольно плохой старт - и это только начало!

Мы также используем энергию, транспортирующую водород, и сжимаем ее, чтобы автомобили могли переносить достаточно в своих резервуарах, чтобы идти куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии водорода составляет всего лишь около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы зайти так далеко. Другая проблема заключается в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что его чрезвычайно крошечный Молекулы легко просачиваются из большинства контейнеров, и поскольку водород горюч, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2h3 => 4H+ + 4e-Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2h3OОбщая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

Типы топливных элементов

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения. Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород.

И тогда, конечно, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда автомобиль с топливным элементом превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, которые управляют его колесами. Водород не является чудесным источником энергии; Это просто энергетический носитель, как перезаряжаемая батарея, и это довольно неэффективный энергоноситель с целым куском практических дефектов.

Профессор Дэвид Маккей Устойчивая энергия без горячего воздуха. Водород не является само по себе топливом, а просто способом транспортировки топлива, произведенного каким-либо другим процессом. Так что лучше сравнить его с батареями, чем с бензином. Все сказал, что водородные автомобили сегодня значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей и часто менее эффективные, чем обычные бензиновые или дизельные двигатели! Мы могли бы использовать солнечные батареи для электролиза воды «бесплатно», но мы могли бы так же легко хранить одну и ту же энергию в батареях и

warmandcozy.ru

Как сделать водородный топливный элемент

Для умелых рук

Топливный элемент - устройство, которое непосредственно превращает химическую энергию топлива в электричество. По принципу работы топливный элемент подобен гальваническим элементам,

например, обыкновенным батарейкам. Но есть и существенное различие: в топливных элементах подвод горючего осуществляется непрерывно. В качестве горючего можно использовать водород, спирт, бензин, метан или даже уголь. Водородный топливный элемент является экологически чистым, поскольку единственный побочный продукт его работы - чистая вода1.

Водородные топливные элементы используются на космических кораблях и в других высокотехнологичных устройствах, где необходим чистый и эффективный источник энергии.

Вы можете сделать модель водородного топливного элемента приблизительно за 10 минут и продемонстрировать, как реагируют водород и кислород, давая при этом экологически чистую электроэнергию.

Для этого необходимо:

Обратите внимание, что само производство водорода не является экологически чистым - прим. ред.

Примерно 30 см никелевой проволоки, покрытой платиной или просто платиновой проволоки. По сути это главная проблема. Батарейка на 9 вольт или любой другой источник постоянного тока, способный вызвать электролиз воды.

Деревянная или пластмассовая пластинка, чтобы держать электроды. Скотч, гвоздь или шило. Стакан воды. Вольтметр.

Разрежем никелевую проволоку, покрытую платиной на две части - по 15 см каждая. Теперь сделаем из обоих кусочков спирали, которые будут служить электродами нашего топливного элемента. Для этого намотайте проволочку на гвоздь, шило или контакт вольтметра.

Присоедините к каждой спирали по два провода, заизолируйте место контакта скотчем и примотайте все это скотчем к деревянной или пластмассовой пластинке. Одна пара проводов будет служить для подключения к батарейке, вторая понадобится для подключения к вольтметру (см. рисунок).

Теперь прикрепите скотчем пластинку с электродами к стакану воды так, чтобы спиральки были опущены в воду почти на всю длину, но место подсоединения проводов оставалось над водой.

Теперь соедините красный провод с положительным контактом вольтметра, а черный провод - с отрицательным контактом. Вольтметр должен показывать ноль (хотя возможны и небольшие отклонения порядка 0.01 В).

Мы закончили сборку топливного элемента. Для того чтобы он стал работать, к одному из электродов необходимо подвести водород, к другому - кислород.

Сделать это очень легко - просто прикоснитесь контактами к батарейке на 9 В. Начнется электролиз воды: на положительном электроде появятся пузырьки кислорода, на отрицательном - водорода. Достаточно, чтобы электроды были подключены к батарейке всего на несколько секунд.

Теперь отсоединим батарейку. Если бы мы использовали обыкновенный провод, а не покрытый платиной, то вольтметр показал бы ноль, поскольку батарейка отключена. Однако платина играет роль катализатора, который активирует водород. На катализаторе молекулярный водород диссоциирует на атомы, которые теряют свои электроны. Когда цепь замкнута электроны от водорода переходят по проводам к противоположному электроду, где их присоединяет кислород. В результате этого образуется вода и электрическая энергия. Таким образом, после отключения батарейки мы получим топливный элемент, который будет давать напряжение немного больше 2 В.

По сути, работа топливного элемента противоположна процессу электролиза.

По мере того, как пузырьки водорода и кислорода будут отделяться от электрода, растворяться в воде или расходоваться на реакцию, напряжение элемента будет падать - сначала резко, потом постепенно.

Примерно через минуту работы напряжение будет снижаться на много медленнее, поскольку теперь падание напряжения обусловлено в основном тем, что водород и кислород расходуются на реакцию.

Обратите внимание, что электрическая энергия батарейки сначала переходит в химическую энергию газов, а потом снова в электричество.

Мы могли бы получить водород другим способом, а потом превратить его в электричество. Можно также использовать солнечную энергию для получения водорода днем, а ночью использовать его для производства электричества. Проблема в том, что хранить водород очень сложно и опасно. Как правило, для этого используют баллоны или резервуары под высоким давлением, но их вместимость мала.

Если бы удалось разработать рациональные способы хранения большого количества водорода в малом объеме, то это произвело бы настоящую революцию в энергетике.

scitoys.com

Смотрите также: Киловатт в кармане

allpowr.su

виды, принцип работы и особенности

Водород - это чистое топливо, поскольку он продуцирует только воду и представляет чистую энергию, используя возобновляемые источники энергии. Он может храниться в топливном элементе, который производит электроэнергию с помощью устройства электрохимической конверсии. Водород - источник революционной энергии будущего, но его разработки по-прежнему очень незначительны. Причины: энергия, которую трудно произвести, рентабельность и сомнительный энергетический баланс из-за энергоемкой природы конструкции. Но этот вариант энергоснабжения предлагает интересные перспективы с точки зрения хранения энергии, особенно когда речь идет о возобновляемых источниках.

Пионеры топливных элементов

Концепция была эффективно продемонстрирована Хамфри Дэви в начале девятнадцатого века. За этим последовала новаторская работа Кристиана Фридриха Шонбейна в 1838 году. В начале 1960-х годов НАСА в сотрудничестве с промышленными партнерами начало разработку генераторов этого типа для пилотируемых космических полетов. Результатом этого стал первый блок PEMFC.

Другой исследователь GE, Леонард Нидрах, модернизовал PEMFC Grubb, используя платину в качестве катализатора. Grubb-Niedrach был дополнительно разработан в сотрудничестве с NASA и использовался в космической программе Gemini в конце 1960-х годов. Международные топливные элементы (IFC, позднее UTC Power) разработали 1,5 кВт устройства для космических полетов Apollo. Они обеспечивали электроэнергию, а также питьевую воду для космонавтов во время их миссии. IFC впоследствии разработала 12 кВт устройства, используемые для обеспечения бортовой сети на всех рейсах космических аппаратов.

Автомобильный элемент впервые был изобретен Грулле в 1960-х годах. GM применил Union Carbide в «Electrovan» - автомобиле. Он был использован только в качестве автомобиля компании, но мог проехать до 120 миль на полном баке и достичь скорости до 70 миль в час. Kordesch и Grulke экспериментировали с водородным мотоциклом в 1966 году. Это был гибрид элемента с батареей NiCad в тандеме, который достиг впечатляющего показателя 1,18 л/100 км. Этот шаг продвинул вперед в технологии е-велосипедов и коммерциализацию е-мотоциклов.

В 2007 году топливные источники стали коммерческими в самых разных областях, они начали продаваться конечным пользователям с письменными гарантиями и возможностями обслуживания, т.е. соответствовали требованиям и стандартам рыночной экономики. Таким образом, ряд сегментов рынка стал ориентироваться на спрос. В частности, тысячи вспомогательных силовых агрегатов PEMFC и DMFC (APU) были коммерциализированы в развлекательных приложениях: лодки, игрушки и учебные комплекты.

Horizon в октябре 2009 года показала первую коммерческую электронную систему Dynario, которая работает на метанольных картриджах. Топливные элементы Horizon способны заряжать мобильные телефоны, системы GPS, камеры или цифровые музыкальные плееры.

Процессы получения водорода

Водородные топливные элементы представляют собой вещества, которые содержат водород в качестве топлива. Водородное топливо - это топливо с нулевым выбросом, которое выделяет энергию во время горения или посредством электрохимических реакций. Топливные элементы и батареи производят электрический ток через химическую реакцию, но первые будут вырабатывать энергию до тех пор, пока есть топливо, таким образом, никогда не теряя заряда.

Термические процессы с получением водорода обычно включают паровой риформинг - высокотемпературный процесс, когда пар реагирует с углеводородным источником с выделением водорода. Многие природные топлива способны быть реформированы для получения водорода.

Сегодня примерно 95% водорода получают из риформинга газа. Вода разделяется на кислород и водород электролизом, в устройстве, который функционирует, как у топливных элементов Horizon zero в обратном направлении.

Процессы, основанные на солнечных батареях

Они применяют свет как агент для получения водорода. Существует несколько процессов, основанных на солнечных батареях:

фотобиологических;
фотоэлектрохимических;
солнечных;
термохимических.

Фотобиологические процессы используют естественную фотосинтетическую активность бактерий и зеленых водорослей.

Фотоэлектрохимические процессы - это специализированные полупроводники для разделения воды на водород и кислород.

Солнечное производство термохимического водорода применяет концентрированную солнечную энергию для реакции разделения воды вместе с другими видами, такими как оксиды металлов.

Биологические процессы используют микробы, такие как бактерии и микроводоросли, и могут продуцировать водород посредством биологических реакций. В микробной конверсии биомассы микробы разрушают органическое вещество, например, биомассу, тогда как в фотобиологических процессах микробы используют солнечный свет в качестве источника.

Компоненты генерации

Устройства элементов выполнены из нескольких частей. Каждый имеет три основных компонента:

анод;
катод;
электропроводный электролит.

В случае применения топливных элементов Horizon, где каждый электрод изготовлен из материала с высокой площадью поверхности, пропитанного катализатором из платинового сплава, электролитный материал представляет собой мембрану и служит в виде ионного проводника. Электрическая генерация управляется двумя первичными химическими реакциями. Для элементов, использующих чистый h3.

Водородный газ на аноде расщепляется на протоны и электроны. Первые проводят через мембрану электролита, и вторые обтекают ее, генерируя электроток. Заряженные ионы (H + и e -) объединяются с О2 на катоде, выделяя воду и тепло. Многочисленные экологические проблемы, которые сегодня влияют на мир, мобилизуют общество для достижения устойчивого развития и прогресса в деле защиты планеты. Здесь в контексте ключевым фактором является замена фактических основных энергетических ресурсов другими, которые могут полностью удовлетворить потребности человека.

Рассматриваемые элементы как раз являются таким устройством, благодаря которому этот аспект находит наиболее вероятное решение, так как можно получить электрическую энергию из чистого топлива с высокой эффективностью и без выбросов CO2.

Платиновые катализаторы

Платина проявляет высокую активность для окисления водорода и продолжает оставаться самым распространенным материалом электрокатализатора. Одной из основных областей исследований Horizon, где топливные элементы используются с сокращенным содержанием платины, является автомобилестроение, где в ближайшем будущем планируется использование инженерных катализаторов, изготовленных из наночастиц платины, нанесенных на проводящий углерод. Эти материалы имеют преимущество высокодисперсных наночастиц, высокую электрокаталитическую площадь поверхности (ESA) и минимальный рост частиц при повышенных температурах, даже при более высоких уровнях загрузки Pt.

Pt-содержащие сплавы полезны для устройств, работающих на специализированных источниках топлива, таких как метанол или риформинг (h3, CO2, CO и N2). Сплавы Pt/Ru показали повышенную производительность по сравнению с чистыми электрохимическими катализаторами Pt в отношении окисления метанола и отсутствия возможности отравления угарным газом. Pt 3 Co является еще одним катализатором, представляющим интерес (особенно для катодов топливных элементов Horizon), он продемонстрировал повышенную эффективность реакции восстановления кислорода, а также высокую стабильность.

Катализаторы Pt/C и Pt 3 Co/C, демонстрируют высокодисперсные наночастицы на поверхностных углеродных подложках. При выборе электролита топливного элемента учитываются несколько ключевых требований:

Высокая протонная проводимость.
Высокая химическая и термическая стабильность.
Низкая газопроницаемость.

Водородный энергоноситель

Водород - самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной. Это важный компонент воды, нефти, природного газа и всего живого мира. Несмотря на свою простоту и изобилие, водород редко встречается в естественном газообразном состоянии на Земле. Он почти всегда сочетается с другими элементами. И может быть полученным из нефти, природного газа, биомассы или путем разделения воды с применением солнечной или электрической энергии.

Как только водород образуется в качестве молекулярного Н2, энергия, присутствующая в молекуле, может выделяться путем взаимодействия с О2. Это может быть достигнуто либо двигателями внутреннего сгорания, либо водородными топливными элементами. В них энергия Н2 превращается в электроток с малыми потерями мощности. Таким образом, водород является энергоносителем для перемещения, хранения и доставки энергии, произведенной из других источников.

Фильтры для силовых модулей

Получение альтернативной энергии элементов невозможно без использования специальных фильтров. Классические фильтры помогают в разработке силовых модулей элементов в разных странах мира за счет высококачественных блоков. Фильтры поставляются для подготовки топлива, например метанола, для применения в элементах.

Обычно приложения для этих силовых модулей включают в себя электропитание в удаленных местах, резервное питание для критических поставок, APU на небольших транспортных средствах и морских приложениях, таких как Project Pa-X-ell, который является проектом для проверки ячеек на пассажирских судах.

Корпуса фильтров из нержавеющей стали, решающие проблемы фильтрации. В этих требовательных приложениях производители топливных элементов zero dawn специфицируют корпуса фильтров из нержавеющей стали Classic Filters благодаря гибкости в производстве, более высоким стандартам качества, быстрым поставкам и конкурентным ценам.

Водородная технологическая платформа

Horizon Fuel Cell Technologies была основана в Сингапуре в 2003 году, сегодня работает 5 ее международных дочерних компаний. Миссия фирмы заключается в том, чтобы изменить ситуацию в топливных элементах, работая глобально с целью быстрой коммерциализации, снижения технологических затрат и устраняя вековые барьеры подачи водорода. Фирма началась с небольших и простых продуктов, которые требуют низкого количества водорода, при подготовке к более крупным и сложным приложениям. Следуя строгим руководящим принципам и дорожной карте, Horizon быстро стал крупнейшим в мире производителем объемных элементов мощностью ниже 1000 Вт, обслуживая клиентов в более чем 65 странах с самым широким выбором коммерческих продуктов в промышленности.

Технологическая платформа Horizon состоит из: PEM - топливных элементов Horizon zero dawn (микротопливных и стеков) и их материалов, подачи водорода (электролиз, риформинг и гидролиз), устройств и хранения водорода.

Horizon выпустил первый в мире портативный и персональный генератор водорода. Станция HydroFill может генерировать водород, разлагая воду в резервуаре и сохраняя ее в картриджах HydroStick. Они содержат поглощающий сплав газообразного водорода, обеспечивающий твердое хранение. Затем картриджи можно вставить в зарядное устройство MiniPak, которое может работать с небольшими элементами топливного фильтра.

Горизонт или домашний водород

Технологии Horizon выпускают водородную систему зарядки и хранения энергии для домашних нужд, сохраняя энергию дома, чтобы заряжать портативные устройства. Horizon отличился в 2006 году игрушечным «H-racer», маленьким автомобилем с водородным элементом, признанного «лучшим изобретением» года. Horizon предлагает децентрализовать хранение энергии дома благодаря своей водородной зарядной станции Hydrofill, которая в состоянии перезаряжать небольшие портативные и многоразовые батареи. Эта водородная станция требует только воду для работы и выработки энергии.

Работа может быть обеспечена сетью, солнечными батареями или ветряной турбиной. Оттуда водород извлекается из емкости для воды станции и хранится в твердой форме в небольших элементах из металлических сплавов. Станция Hydrofill, продается по цене примерно 500 долларов США, является авангардным решением, для телефонов. Где найти топливные элементы Hydrofill по этой цене для пользователей не составит труда, нужно просто задать соответствующий запрос в интернете.

Автомобильная водородная зарядка

Подобно электрическим автомобилям с батарейным питанием, те, которые работают на водороде, также используют электричество для управления машиной. Но вместо того, чтобы хранить это электричество в батареях, которых требуют много часов для зарядки, элементы генерируют энергию прямо на борту машины, с помощью реакции водорода и кислорода. Реакция протекает в присутствии электролита - неметаллического проводника, в котором электрический поток переносится движением ионов в устройствах, где топливные элементы Horizon zero оборудованы протон-обменными мембранами. Они функционируют следующим образом:

Водородный газ подается на "-" анод (А) ячейки, а кислород направляется на положительный полюс.
На аноде катализатор - платина, отбрасывает электроны водородных атомов, оставляя "+" ионы и свободные электроны. Через мембрану, расположенную между анодом и катодом, проходят исключительно ионы.
Электроны создают электроток, двигаясь по внешней цепи. На катоде электроны и водородные ионы объединяются с кислородом для получения воды, вытекающей из ячейки.

До сих пор две вещи мешали крупному производству автомобилей с водородным двигателем: стоимость и производство водорода. До недавнего времени платиновый катализатор, который расщепляет водород на ион и электрон, был чрезмерно дорогим.

Несколько лет назад водородные топливные элементы стоили около 1000 долларов за каждый киловатт энергии или около 100 000 долларов для автомобиля. Проводились различные исследования для снижения стоимости проекта, в том числе по замене платинового катализатора платино-никелевым сплавом, который в 90 раз более эффективный. В прошлом году Министерство энергетики США сообщило, что стоимость системы снизилась до 61 долл. США за киловатт, что все еще неконкурентоспособно в автомобилестроении.

Рентгеновская компьютерная томография

Этот метод неразрушающего контроля используется для изучения структуры двухслойного элемента. Другие методы, обычно используемые для изучения структуры:

ртутная интрузионная порозиметрия;
атомно-силовая микроскопия;
оптическая профилометрия.

Результаты показывают, что распределение пористости имеет прочную основу для расчета тепловой и электрической проводимости, проницаемости и диффузии. Измерение пористости элементов является очень сложным из-за их тонкой, сжимаемой и неоднородной геометрии. Результат показывает, что пористость уменьшается при сжатии GDL.

Пористая структура оказывает значительное влияние на массоперенос в электроде. Эксперимент проводился при различных давлениях горячего прессования, которые варьировались от 0,5 до 10 МПа. Производительность в основном зависит от металла платины, стоимость которого очень высока. Диффузионность может увеличиваться за счет использования химически связующих веществ. Кроме того, изменения температуры влияют на время жизни и среднюю производительность элемента. Скорость деградации высокотемпературных PEMFC в начальное время низкая, а затем быстро увеличивается. Это используется для определения образования воды.

Проблемы коммерциализации

Чтобы быть конкурентоспособными по стоимости, затраты на топливную ячейку должны быть уменьшены в два раза, а срок службы батареи аналогичным образом увеличен. Однако сегодня эксплуатационные расходы по-прежнему намного выше, поскольку затраты на производство водорода составляют от 2,5 до 3 долларов США, а поставляемый водород вряд ли будет стоить меньше 4 долларов/кг. Чтобы элемент эффективно конкурировал с батареями, следует иметь короткое время заправки и минимизацию процесса замены батареи.

В настоящее время технология использования полимерных топливных элементов будет стоить 49 долларов США в кВт при производстве в массовом масштабе (не менее 500 000 единиц в год). Однако для того, чтобы конкурировать с автомобилями внутреннего сгорания, автомобильные топливные элементы должны достигнуть приблизительно 36 долларов/кВт. Экономия может быть достигнута за счет снижения материальных затрат (в частности, использования платины), увеличения плотности мощности, снижения сложности системы и повышения долговечности. Существует несколько проблем для широкомасштабной коммерциализации технологии, включая преодоление ряда технических барьеров.

Технические задачи будущего

Стоимость стека зависит от материала, техники и технологий изготовления. Выбор материала зависит не только от пригодности материала для функций, но и от технологичности. Ключевые задачи элементов:

Снижение нагрузки на электрокатализатор и увеличение активности.
Повышение долговечности и уменьшение деградации.
Оптимизация дизайна электрода.
Улучшение переносимости примесей на аноде.
Выбор материалов для компонентов. Он основываетсяся главным образом на стоимости, не жертвуя производительностью.
Отказоустойчивость системы.
Работоспособность элемента зависит в основном от прочности мембраны.

Основными параметрами GDL, которые влияют на производительность ячейки, являются проницаемость реагентов, электропроводность, теплопроводность, механическая поддержка. Толщина GDL является важным фактором. Более толстая мембрана обеспечивает лучшую защиту, дает механическую прочность, имеет более длинные диффузионные пути и больше теплового и электрического уровня сопротивления.

Прогрессивные тенденции

Среди различных типов элементов PEMFC адаптирует больше мобильных приложений (автомобили, ноутбуки, мобильные телефоны и т.д.), следовательно, представляют растущий интерес для широкого круга производителей. Фактически PEMFC имеет много преимуществ, таких как низкая рабочая температура, устойчивая работа при высокой плотности тока, малый вес, компактность, потенциал для низкой стоимости и объема, длительный срок службы, быстрые стартапы и пригодность для прерывистой работы.

Технология PEMFC хорошо подходит для различных размеров и также используется с различными видами топлива, когда их надлежащим образом обрабатывают для получения водорода. Как таковой, он находит применение из малой шкалы субватт, вплоть до мегаваттной шкалы. 88% от общего объема поставок в 2016-2018 годах были PEMFC.

fb.ru

описание, характеристики, принцип работы, фото

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

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:

НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ТИШИНА – низкий уровень шумов
УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
ЭКОНОМИЧНОСТЬ - привлекательная совокупная стоимость владения
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

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.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

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.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

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 пре

rinnipool.ru

Дешевые водородные топливные элементы без платины

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

ВОДОРОДНО – КИСЛОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СО ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

Епископосян О.С. 1

Радченко Т.И. 1

Текст работы размещён без изображений и формул.Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

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. [1, 2].

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[3].

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 [4]. 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: 2h3 + 4OH- => 4h3O + 4e-Реакция на катоде: O2 + 2h3O + 4e- => 4OH-Общая реакция системы: 2h3 + O2 => 2h3O.

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 CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 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, h3O и Ch5, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ [4].

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 см3 Н2 и 60 см3 О2. Скорости получения газов достаточно для проведения эксперимента. Также, учитывая взрывоопасность смеси Н2 и О2, 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 см3, 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.

3.3. Измерение ЭДС авторской модели топливной ячейки

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 Н2 и О2 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 МоО3, легированного золотом.

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.

Электрод.

Рис. 6 – Авторская установка с топливной ячейкой

Рис. 7 - Термоэлектрический охладитель на элементе Пельтье

Рис. 8 а – Катализатор (оксид молибдена МоО3) увеличение в 400 раз; б – изображение на атомно-силовом микроскопе (Центр коллективного пользования Северо – Осетинский государственный университет)

Просмотров работы: 216

school-science.ru