Принцип работы топливных элементов


Топливные элементы (топливные ячейки)

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. 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 на расплаве карбоната (РКТЭ)

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. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

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 (CO32-). 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: CO32- + h3 => h3O + CO2 + 2e- Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32- Общая реакция элемента: h3(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => h3O(g) + CO2(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, "отравлению", и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (h4PO4) 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 (МОПТЭ), 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: 2h3 => 4H+ + 4e- Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2h3O Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

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, СО2 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 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы "Джемини". Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

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

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

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 (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

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 (О2-). 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: 2h3 + 2O2- => 2h3O + 4e- Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2- Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, 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 70%.

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.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

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 (Ch4OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, 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: Ch4OH + h3O => CO2 + 6H+ + 6e- Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3h3O Общая реакция элемента: Ch4OH + 3/2O2 => CO2 + 2h3O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

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

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды h3O+ (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°С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO42-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.

energy-units.ru

Топливные элементы

Топливные элементы

Булатов Г.Р.

УГАТУ, группа ИИТ-122Топливные элементы.

В настоящее время основной долей энергии, используемой человечеством, является химическая энергия реакции горения природного топлива:

топливо + кислород = продукты окисления топлива (1)

Химическая энергия этой реакции затем превращается либо в механическую (двигатели внутреннего сгорания), либо в электрическую (тепловые электростанции) по схеме

Химическая энергия - теплота - механическая энергия - электрическая энергия

В двигателях внутреннего сгорания процесс идет до генерации механической энергии, на тепловых электростанциях – до электрической.

Недостатком существующих методов преобразования энергии является малый КПД. Особенно большие потери энергии происходят на стадии превращения теплоты в механическую работу. В силу специфической особенности теплоты она может лишь частично превращаться в работу, основная часть теплоты бесполезно рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому фактический КПД электростанций составляет 30-40%, а транспортных установок в городских условиях 10-15%. Таким образом, 60-90% химической энергии топлива бесполезно рассеивается в окружающее пространство. Поэтому особый интерес представляет прямой путь превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию:

Химическая энергия - электрическая энергия.

Это электрохимический путь, осуществляемый с помощью топливных элементов.

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается непосредственно в электрическую энергию. Для этого реакция (1) в топливном элементе разбивается на стадии:

· анодное окисление топлива

· катодное восстановление окислителя (кислорода)

· движение ионов в растворе электролита

· движение электронов от анода к катоду (электрический ток)

Идея использования химической энергии окисления (сжигания) горючих веществ, в частности природного топлива, для непосредственного получения электроэнергии в гальваническом элементе уже давно привлекает внимание исследователей. В настоящее время к группе топливных элементов относят не только элементы, использующие в качестве активных материалов кислород, уголь или другие горючие материалы, но и все гальванические системы, в которых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.

В настоящее время достигнуты успехи в области исследования и изготовления топливных элементов. Например, топливные элементы были применены на космическом корабле системы Джеминай в США.

Принцип действия топливного элемента (ТЭ)

Рассмотрим работу топливного элемента на примере водородно-кислородного элемента. В этом элементе происходит превращение химической энергии реакции горения водорода (4) в электрическую.

Химическая энергия реакции (4), равная 284 кДж/моль (при

= 1 атм. и = 1 атм. и температуре 298К) может быть с невысоким КПД превращена в тепловых машинах через теплоту в электрическую энергию. Другой путь - электрохимический – может быть осуществлен в топливном элементе, схема которого приведена на рисунке:

N электрическая

- +

Н2 К+ О2 Н2 О2 Н2 О ОН- Н2 h3 O +

Н2 О Анод Катод

(2) 2Н2 + 4ОН - -4Н2 О+4е О2 + 2Н2 О + 4е -4ОН- (3)

Суммарная реакция

2Н2 + О2 - 2Н2 О + Nэлектр (4)

Рисунок 1. Принцип действия топливного элемента.

Как и гальванический элемент, ТЭ состоит из анода и катода. К аноду подается топливо (восстановитель) в данном случае водород, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве которого для рассматриваемого водородно-кислородного элемента используется раствор щелочи.

Схема водородно-кислородного ТЭ может быть записана в виде

(5)

где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде идет реакция окисления водорода (2), а на катоде протекает восстановление кислорода (3).

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов ОН- от катода к аноду. Суммированием реакций (2) и (3) получаем реакцию (4). Таким образом, в результате протекания реакции (4) в цепи генерируется постоянный ток. Химическая энергия реакции (4) непосредственно превращается в электрическую энергию.

Рассмотрение водородно-кислородного ТЭ показывает, что в принципе он работает как гальванический элемент. Отличием ТЭ от гальванического элемента является то, что восстановитель и окислитель не заложены заранее в элемент, а непрерывно подводятся к электродам в процессе работы. В связи с этим электроды элемента в процессе работы не изменяются, и ТЭ в принципе может работать непрерывно, пока подводятся реагенты и выводятся продукты реакции, в то время как гальванические элементы могут работать ограниченное время, определенное запасом активных реагентов. В качестве топлива в ТЭ наряду с водородом используются гидразин (N2 h5 ), метанол (Ch4 OH) и некоторые углеводороды.

Согласно первому началу термодинамики полезная внешняя работа, которая может быть произведена телом при изобарном переходе некоторой системы из состояния 1 в состояние 2, определяется формулой

A = Q1-2 + h2 – h3 (6)

где Q1-2 – теплота, подведенная в процессе 1-2; Н – энтальпия.

Химические реакции чаще всего рассматриваются как изотермические, ибо в этом случае возможно провести химическую реакцию обратимо, используя какой-либо единственный источник тепла с температурой Т (в частном случае окружающую среду с температурой Т0 ).

Для такого изобарно-изотермического обратимого процесса полезная работа окажется максимальной, а уравнение (6) примет вид

А = Т( S2 – S1 ) – (h3 – h2 ) = - D G , (7)

где D G=G2 – G1 , G – энергия Гиббса системы.

При необратимом процессе, осуществляемом между начальными и конечными состояниями 1 и 2, полезная внешняя работа меньше максимальной на положительную величину Т0 DS, равную произведению абсолютной температуры окружающей среды Т0 на прирост энтропии всей системы (производящего работу тела и окружающей среды).

Поскольку работа в ТЭ проявляется в виде электрической работы, то ее можно записать в виде произведения ЭДС (равновесного напряжения) на количество прошедшего через цепь электричества

А = Eq э . (8)

По закону Фарадея при электрохимическом превращении 1 грамм-эквивалента вещества через систему протекает один Фарадей электричества, т.е. количество электричества, отнесенное к 1 грамм-молю реагирующего вещества, равно

q э = zF , (9)

где F = 96500 А ×с/(г ×экв) = 26,8 А ×ч/(г ×экв) – число Фарадея, z- число электронов, участвующих при электрохимическом превращении одной молекулы вещества. Значение ЭДС обратимого топливного элемента можно записать

mirznanii.com

Принцип действия топливного элемента

Рассмотрим работу топливного элемента (ТЭ) на примере водородно-кислородного элемента. В этом элементе происходит превращение химической энергии реакции горения водорода (4) в электрическую.

Химическая энергия реакции (4), равная 284 кДж/моль (при = 1 атм. и= 1 атм. и температуре 298К) может быть с невысоким КПД превращена в тепловых машинах через теплоту в электрическую энергию. Другой путь - электрохимический – может быть осуществлен в топливном элементе, схема которого приведена на рисунке:

N электрическая

- +

Н2 К+ О2

Н2

О2

Н2ООН-

Н2 h3O

+

Н2О Анод Катод

(2) 2Н2 + 4ОН- 4Н2О+4е О2 + 2Н2О + 4е 4ОН- (3)

Суммарная реакция

2Н2 + О2  2Н2О + Nэлектр (4)

Рисунок 1. Принцип действия топливного элемента.

Как и гальванический элемент, ТЭ состоит из анода и катода. К аноду подается топливо (восстановитель) в данном случае водород, к катоду – окислитель, обычно чистый кислород или кислород воздуха. Между электродами находится электролит, в качестве которого для рассматриваемого водородно-кислородного элемента используется раствор щелочи.

Схема водородно-кислородного ТЭ может быть записана в виде

(5)

где Ме– проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода.

На аноде идет реакция окисления водорода (2), а на катоде протекает восстановление кислорода (3).

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов ОН-от катода к аноду. Суммированием реакций (2) и (3) получаем реакцию (4). Таким образом, в результате протекания реакции (4) в цепи генерируется постоянный ток. Химическая энергия реакции (4) непосредственно превращается в электрическую энергию.

Рассмотрение водородно-кислородного ТЭ показывает, что в принципе он работает как гальванический элемент. Отличием ТЭ от гальванического элемента является то, что восстановитель и окислитель не заложены заранее в элемент, а непрерывно подводятся к электродам в процессе работы. В связи с этим электроды элемента в процессе работы не изменяются, и ТЭ в принципе может работать непрерывно, пока подводятся реагенты и выводятся продукты реакции, в то время как гальванические элементы могут работать ограниченное время, определенное запасом активных реагентов. В качестве топлива в ТЭ наряду с водородом используются гидразин (N2h5), метанол (Ch4OH) и некоторые углеводороды.

Согласно первому началу термодинамики полезная внешняя работа, которая может быть произведена телом при изобарном переходе некоторой системы из состояния 1 в состояние 2, определяется формулой

A = Q1-2 + h2 – h3 (6)

где Q1-2– теплота, подведенная в процессе 1-2;Н– энтальпия.

Химические реакции чаще всего рассматриваются как изотермические, ибо в этом случае возможно провести химическую реакцию обратимо, используя какой-либо единственный источник тепла с температурой Т (в частном случае окружающую среду с температурой Т0).

Для такого изобарно-изотермического обратимого процесса полезная работа окажется максимальной, а уравнение (6) примет вид

А = Т(S2 – S1) – (h3 – h2) = -G,(7)

где G=G2 – G1, G– энергия Гиббса системы.

При необратимом процессе, осуществляемом между начальными и конечными состояниями 1 и 2, полезная внешняя работа меньше максимальной на положительную величину Т0S, равную произведению абсолютной температуры окружающей среды Т0на прирост энтропии всей системы (производящего работу тела и окружающей среды).

Поскольку работа в ТЭ проявляется в виде электрической работы, то ее можно записать в виде произведения ЭДС (равновесного напряжения) на количество прошедшего через цепь электричества

А = Eqэ. (8)

По закону Фарадея при электрохимическом превращении 1 грамм-эквивалента вещества через систему протекает один Фарадей электричества, т.е. количество электричества, отнесенное к 1 грамм-молю реагирующего вещества, равно

qэ = zF, (9)

где F = 96500 Ас/(гэкв) = 26,8 Ач/(гэкв)– число Фарадея,z- число электронов, участвующих при электрохимическом превращении одной молекулы вещества. Значение ЭДС обратимого топливного элемента можно записать

(10)

где Н – энтальпия реакции,S – энтропия реакции,Т –температура, а значение максимальной полезной работы реакции при замене в выражении дляG энтропииSуравнением

и

(11)

Это уравнение известно как уравнение Гиббса-Гельмгольца. Так как при постоянных риТ G=-AmaxиH=-Qp – тепловому эффекту реакции, происходящей в ТЭ, то уравнение (9) может быть представлено

,

а выражение для ЭДС

Второй член правой части равен теплоте, поглощаемой (выделяемой) при работе ТЭ (эта величина отнюдь не равна Qp). В зависимости от знака, т.е. от характера реакции, возможны три вида ТЭ:

а) работающие с выделением теплоты во внешнюю среду S>0, E>;

б) без выделения или поглощения теплоты (адиабатический режим) S=0, E=;

в) с поглощением теплоты из внешней среды S<0, E<. Это уравнение представляет собой математическое выражение двух основных законов термодинамики и является весьма важным для расчетов, связанных с химическим равновесием.

При сжигании топлива в современных тепловых электростанциях, работающих по схеме: паровой котел  турбина  электрогенератор, суммарный коэффициент полезного действия (КПД) едва достигает 20%. Окисление топлива в гальваническом элементе может быть проведено с КПД близким к 100%. Максимальный коэффициент полезного действия

макс = (12)

Поскольку энтропия может иметь как положительное, так и отрицательное значение, в принципе макс может быть даже более единицы (>100%). В этом случае топливный элемент будет работать охлаждаясь и используя тепло окружающей среды. Максимальный КПД соответствует полному использованию веществ, вступающих в реакцию в согласии с законом Фарадея и теоретической ЭДС элемента (5).

Так как энтропия газообразных веществ обычно выше энтропии жидких и твердых веществ, то основной вклад в энтропию реакции вносят газообразные реагенты и продукты реакции. Можно в первом приближении оценить знак ∆Sреакции по мольному балансу газов продуктов реакции и исходных веществ.

Как известно на практике элементы отдают во внешнюю цепь при разряде значительно меньшую энергию, чем соответствует теоретической ЭДС Напряжение при разряде значительно меньше, чем ЭДС из-за наличия необратимых процессов: пассивности электродов, необходимости преодолевать внутреннее омическое сопротивление элемента и т.п. Коэффициент полезного действия с учетом указанного явления будет равен:

= макс(13)

где U– клеммовое напряжение элемента;E– ЭДС элемента.

Если еще учесть, что в топливном элементе могут иметь место потери активных материалов из-за побочных процессов, то полный коэффициент полезного действия по отношению к возможной теплоте сгорания будет равен

полн = макс F(14)

где F=– коэффициент полезного действия по току.

Коэффициент Fв значительной мере является условным, его назначение учесть потери, которые можно было бы в принципе использовать для получения энергии и которые не использованы из-за утечек, саморазряда, уноса с циркулирующими жидкостями, газами и т.п. Обычно при рациональной конструкции электродов непроизводительные утечки топливных элементов сводятся к минимуму. В итогеFдля наиболее разработанных водородно-кислородных ТЭ (без учета затрат на продувку) может с достаточным основанием приниматься равным 0,95-0,98.

Максимальная работа и теоретический КПД ТЭ зависят также от давления, концентрации топлива, окислителя и продуктов реакции, поскольку для произвольной реакции aA+bB+…=yY+zZ+…

Здесь ∆G0(T) – изменение энергии Гиббса для реакции, протекающей при той же температуре, но при условии , что все реагенты находятся при стандартном давленииPB=PC=…=PY=PZ=…=1.

Если учесть, что парциальные давления Piмогут быть выражены на основании закона Дальтона через общее давлениеPи мольную концентрацию компонентаxi, то

;

где ∆v=(y+z+…)-(b+c+…) – изменение числа молей при реакции.

Для ЭДС можно записать аналогичные выражения

studfiles.net

Топливные элементы. Вполне реальная альтернатива существующим ТЭС - Портал-Энерго.ru

Специалисты в области энергетики отмечают, что в большинстве развитых стран быстро растет интерес к рассредоточенным источникам энергии сравнительно малой мощности. Главные преимущества этих автономных энергоустановок -умеренные капитальные затраты при строительстве, быстрый ввод в эксплуатацию, сравнительно простое обслуживание и хорошие экологические характеристики. При автономной системе электроснабжения не требуется вложений в линии электропередач и подстанции. Расположение автономных источников энергии непосредственно в местах потребления не только избавляет от потерь в сетях, но и повышает надежность электроснабжения.

Хорошо известны такие автономные источники энергии, как малые ГТУ (газотурбинные установки), двигатели внутреннего сгорания, ветроустановки и солнечные батареи на полупроводниках.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания или турбин, работающих на угле / газе, топливные элементы не сжигают топливо. Они преобразовывают химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции. Поэтому топливные элементы не производят большого количества парниковых газов, выделяющихся при сгорании топлива, таких как двуокись углерода (CO2), метан (Ch5) и окись азота (NOx). Выбросы из топливных элементов представляют собой воду в форме пара и низкие уровни двуокиси углерода (или же выбросов CO2 нет вообще), если в качестве топлива для элементов используется водород. Кроме того, топливные элементы работают бесшумно, потому что они не включают шумные роторы высокого давления и при их эксплуатации отсутствуют шумы выхлопных газов и вибрация.

Топливный элемент преобразовывает химическую энергию топлива в электричество при помощи химической реакции с кислородом или другим окисляющим веществом. Топливные элементы состоят из анода (отрицательная сторона), катода (положительная сторона) и электролита, который обеспечивает перемещение зарядов между двумя сторонами топливного элемента (Рисунок: Принципиальная схема топливных элементов).

Электроны перемещаются от анода к катоду через внешний контур, создавая электричество постоянного тока. В связи с тем, что основным отличием разных типов топливных элементов является электролит, топливные элементы подразделяются по типу используемого электролита, т.е. высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы (ТЭПМ, ПМТЭ). Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда также могут использоваться углеводороды, такие как природный газ и спирты (т.е. метанол). Топливные элементы отличаются от аккумуляторов тем, что для них требуется постоянный источник топлива и кислорода / воздуха для поддержания химической реакции, и они производят электроэнергию до тех пор, пока их подача осуществляется.

Топливные элементы имеют следующие преимущества по сравнению с обычными источниками энергии, такими как двигатели внутреннего сгорания или аккумуляторы:

  • Топливные элементы имеют более высокую эффективность, чем дизельные или газовые двигатели.
  • Большинство топливных элементов работает бесшумно, если сравнивать их с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому они пригодны для зданий с особыми требованиями, например, больницы.
  • Топливные элементы не приводят к загрязнению, вызываемому сжигаемым ископаемым топливом; например, побочным продуктом топливных элементов, работающих на водороде, является только вода.
  • Если водород получается в результате электролиза воды, обеспечиваемого возобновляемым источником энергии, то при использовании топливных элементов парниковый газ не выделяется на протяжении всего цикла.
  • Для топливных элементов не требуется обычное топливо, такое как нефть или газ, поэтому можно избавиться от экономической зависимости от стран-производителей нефти и обеспечить большую энергетическую безопасность.
  • Топливные элементы не зависят от энергосетей, так как водород может производиться в любом месте, где есть вода и электроэнергия, и может распределяться производимое топливо.
  • При применении стационарных топливных элементов для производства энергии в точке потребления можно использовать децентрализованные энергосети, которые потенциально являются более стабильными.
  • Низкотемпературные топливные элементы (ТЭПМ, ПМТЭ) имеют низкий уровень передачи тепла, что делает их идеальными для различного применения.
  • Топливные элементы с более высокой температурой производят высококачественную технологическую тепловую энергию вместе с электричеством, и они хорошо подходят для когенерации (такой как совместное производство тепловой и электрической энергии для жилых домов).
  • Время работы значительно больше, чем время работы аккумуляторов, так как для увеличения времени работы требуется только большее количество топлива, а повышение производительности установки не требуется.
  • В отличие от аккумуляторов, топливные элементы имеют «эффект запоминания» при их заправке.
  • Техническое обслуживание топливных элементов является простым, так как они не имеют больших подвижных частей.

Наиболее распространенным топливом для топливных элементов является водород, так как он не производит выбросов вредных загрязняющих веществ. Однако могут использоваться и другие виды топлива, и топливные элементы, работающие на природном газе, считаются эффективным альтернативным вариантом, когда природный газ доступен по конкурентоспособным ценам. В топливных элементах поток топлива и окислителей проходит через электроды, которые разделены электролитом. Это вызывает химическую реакцию, в результате которой производится электроэнергия; при этом не требуется сжигать топливо или добавлять тепловую энергию, что обычно имеет место при традиционных способах производства электроэнергии. При использовании в качестве топлива природного чистого водорода, а в качестве окислителя кислорода, в результате реакции, которая происходит в топливном элементе, вырабатываются вода, тепловая энергия и электроэнергия. При использовании других видов топлива топливные элементы выделяют очень низкий уровень выбросов загрязняющих веществ и производят высококачественную надежную электроэнергию.

Преимущества топливных элементов, работающих на природном газе, являются следующими:

  • Преимущества для окружающей среды – Топливные элементы представляют собой чистый метод производства электроэнергии из ископаемого топлива. Между тем как топливные элементы, работающие на чистом водороде и кислороде, производят только воду, электроэнергию и тепловую энергию; другие типы топливных элементов выделяют ничтожно малое количество серных соединений и очень низкий уровень двуокиси углерода. Однако двуокись углерода, выделяемая топливными элементами, является концентрированной, и ее легко можно удерживать вместо того, чтобы выбрасывать в атмосферу.
  • Эффективность - Топливные элементы преобразовывают энергию, имеющуюся в ископаемом топливе, в электроэнергию намного эффективнее, чем традиционные способы производства электричества со сжиганием топлива. Это означает, что для производства одинакового количества электроэнергии требуется меньше топлива. По оценке Национальной лаборатории энергетических технологий 58 , могут выпускаться топливные элементы (в комбинации с турбинами, работающими на природном газе), которые будут работать в диапазоне мощности от 1 до 20 МВтэ с КПД 70%. Этот КПД намного выше, чем КПД, который может достигаться при помощи традиционных методов производства энергии в указанном диапазоне мощности.
  • Производство с распределением - Топливные элементы могут выпускаться очень малых размеров; это позволяет размещать их в тех местах, где требуется электроэнергия. Это касается установок для жилых, коммерческих, промышленных зданий и даже для транспортных средств.
  • Надежность - Топливные элементы являются полностью закрытыми устройствами без подвижных частей и сложного машинного оборудования. Это делает их надежными источниками электроэнергии, способными работать в течение многих часов. Кроме того, они являются почти бесшумными и безопасными источниками электроэнергии. Также в топливных элементах нет скачков электричества; это значит, что их можно использовать в тех случаях, когда нужен постоянно работающий, надежный источник электроэнергии.

До последнего времени менее популярными были топливные элементы (ТЭ), представляющие собой электрохимические генераторы, способные преобразовать химическую энергию в электрическую, минуя процессы горения, превращения тепловой энергии в механическую, а последней - в электроэнергию. Электрическая энергия образуется в топливных элементах благодаря химической реакции между восстановителем и окислителем, которые непрерывно поступают к электродам. Восстановителем чаще всего служит водород, окислителем - кислород или воздух. Совокупность батареи топливных элементов и устройств для подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла (которое может утилизироваться) представляет собой электрохимический генератор. В последнее десятилетие XX века, когда вопросы надежности электроснабжения и экологические проблемы приобрели особенно важное значение, многие фирмы в Европе, Японии и в США приступили к разработке и производству нескольких вариантов топливных элементов. Наиболее простыми являются щелочные топливные элементы, с которых началось освоение этого вида автономных источников энергии. Рабочая температура в этих ТЭ составляет 80-95°С, электролитом является 30%-ный раствор едкого калия. Работают щелочные ТЭ на чистом водороде. В последнее время большое распространение получил топливный элемент РЕМ с мембранами протонного обмена (с полимерным электролитом). Рабочая температура в этом процессе - также 80-95°С, но в качестве электролита используется твердая ионообменная мембрана с перфторсулфокислотой. По общему признанию, наиболее привлекательным в коммерческом плане является топливный элемент с фосфорной кислотой PAFC, у которого КПД по выработке только электроэнергии достигает 40%, а при использовании выделенного тепла -85%. Рабочая температура у этого ТЭ 175—200°С, электролит - жидкая фосфорная кислота, пропитывающая карбид кремния, связанный тефлоном. Пакет элемента снабжен двумя графитовыми пористыми электродами и орто-фосфорной кислотой в качестве электролита. Электроды покрыты платиновым катализатором. В реформере природный газ при взаимодействии с паром переходит в водород и СО, который доокисляется до СО2 в конверторе. Далее молекулы водорода под влиянием катализатора диссоциируют на аноде на ионы Н. Электроны, освобожденные в этой реакции, направляются через нагрузку к катоду. На катоде они реагируют с ионами водорода, диффундирующими через электролит, и с ионами кислорода, которые образуются в результате каталитической реакции окисления кислорода воздуха на катоде, образуя в конечном итоге воду. К перспективным видам топливных элементов относится также ТЭ с расплавленным карбонатом типа MCFC. Этот ТЭ при работе на метане имеет КПД по электроэнергии 50-57%. Рабочая температура 540—650°С, электролит - расплавленный карбонат калиевой и натриевой щелочей в оболочке - матрице из литий-алюминиевого оксида LiA102. И, наконец, наиболее перспективный топливный элемент - SOFC. Это твердооксидный топливный элемент, использующий любое газообразное топливо и наиболее пригодный для сравнительно крупных установок. Его КПД по электроэнергии составляет 50-55%, а при использовании в установках комбинированного цикла -до 65%. Рабочая температура 980—1000°С, электролит - твердый цирконий, стабилизированный иттрием.

На рис. 2 показана батарея SOFC из 24-х элементов, разработанная специалистами из корпорации Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Германия). Эта батарея является основой электрохимического генератора, работающего на природном газе. Первые демонстрационные испытания энергоустановки такого типа мощностью 400 Вт были проведены еще в 1986 г. В последующие годы совершенствовалась конструкция твердооксидных топливных элементов и увеличивалась их мощность.

Наиболее успешными были демонстрационные испытания установки мощностью 100 кВт, сданной в эксплуатацию в 1999 г. Энергоустановка подтвердила возможность получения электроэнергии с высоким КПД (46%), а также показала высокую стабильность характеристик. Тем самым была доказана возможность эксплуатации энергоустановки не менее 40 тыс. часов при допустимом падении ее мощности.

В 2001 г. была разработана новая энергоустановка на твердооксидных элементах, работающая при атмосферном давлении. Батарея (электрохимический генератор) мощностью энергоустановки 250 кВт с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла включала в себя 2304 твердооксидных трубчатых элемента. Кроме того, в состав установки входили инвертор, регенератор, подогреватель топлива (природного газа), камера сгорания для подогрева воздуха, теплообменник для подогрева воды за счет тепла уходящих газов и другое вспомогательное оборудование. При этом габаритные размеры установки были вполне умеренными: 2,6x3,0x10,8 м. Определенных успехов в разработке крупных топливных элементов добились японские специалисты. Исследовательские работы были начаты в Японии еще в 1972 г., но значительные успехи были достигнуты только в середине 90-х годов. Опытные модули топливных элементов имели мощность от 50 до 1000 кВт, причем 2/3 из них работали на природном газе. В 1994 г. в Японии была сооружена установка с топливными элементами мощностью 1 МВт. При общем КПД (с выработкой пара и горячей воды), равном 71%, установка имела КПД по отпуску электроэнергии не менее 36%. С 1995 г., по сообщениям прессы, в Токио эксплуатируется энергоустановка на топливных элементах с фосфорной кислотой мощностью 11 МВт, а общая мощность выпущенных топливных элементов к 2000 г. достигла 40 МВт.

Все перечисленные выше установки относятся к классу промышленных. Их разработчики постоянно стремятся к повышению мощности агрегатов, чтобы улучшить стоимостные характеристики (удельные затраты на кВт установленной мощности и стоимость выработанной электроэнергии). Но есть несколько компаний, которые ставят другую задачу: разработать простейшие установки для бытового потребления, в том числе - индивидуальные источники электропитания. И в этой области имеются существенные достижения:

  • компания Plug Power LLC разработала установку на топливных элементах мощностью 7 кВт для энергоснабжения дома;
  • корпорация Н Power выпускает используемые на транспорте зарядные агрегаты для аккумуляторов мощностью 50-100 Вт;
  • компания Intern. Fuel Cells LLC выпускает установки для транспорта и персональные источники питания мощностью 50-300 Вт;
  • корпорация Analytic Power разработала по заказу армии США персональные источники питания мощностью по 150 Вт, а также установки на топливных элементах для домашнего энергоснабжения мощностью от 3 до 10 кВт.

В чем же заключаются достоинства топливных элементов, побуждающие многочисленные компании вкладывать огромные средства в их разработку? Помимо высокой надежности электрохимические генераторы имеют высокий КПД, что выгодно отличает их от паротурбинных установок и даже от установок с ГТУ простого цикла. Важным достоинством топливных элементов является удобство их использования в качестве рассредоточенных источников энергии: модульная конструкция позволяет соединить последовательно любое количество отдельных элементов с образованием батареи - идеальное качество для наращивания мощности.

Но самым важным аргументом в пользу топливных элементов являются их экологические характеристики. Выбросы NOX и СО на этих установках настолько малы, что, например, окружные Управления по качеству воздуха в регионах (где нормы экологического контроля являются наиболее жесткими в США) даже не упоминают это оборудование во всех требованиях, касающихся защиты атмосферы.

Многочисленные преимущества топливных элементов, к сожалению, не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток - высокую стоимость, В США, например, удельные капитальные затраты на сооружение энергоустановки даже с наиболее конкурентоспособными топливными элементами составляют примерно 3500 долл./кВт. И хотя правительство предоставляет субсидию в размере 1ООО долл./кВт, чтобы стимулировать спрос на эту технологию, стоимость сооружения таких объектов остается достаточно высокой. Особенно при сопоставлении с капитальными затратами на строительство мини-ТЭЦ с ГТУ или с двигателями внутреннего сгорания мегаваттно-го диапазона мощности, которые составляют примерно 500 долл./кВт.

В последние годы наметился определенный прогресс в деле снижения затрат на установки с ТЭ. Сооружение энергоустановок с ТЭ на базе фосфорной кислоты мощностью 0,2-1,0 МВт, о которых упоминалось выше, обошлось в 1700 долл./кВт. Стоимость производства энергии на таких установках в Германии при использовании их в течение 6000 ч в год по расчетам составляет 7,5-10 центов/кВт-ч. Установка РС25 мощностью 200 кВт, которую эксплуатирует энергокомпания Hessische EAG (Дарм-штадт), также имеет неплохие экономические показатели: стоимость электроэнергии, включая амортизационные отчисления, затраты на топливо и на обслуживание установки в сумме составили 15 центов/кВт-ч. Этот же показатель для ТЭС на буром угле составлял в энергокомпании 5,6 цента/кВт-ч, на каменном угле - 4,7 цента/кВт-ч, для парогазовых установок - 4,7 цента/кВт-ч и для дизельных электростанций - 10,3 цента/кВт-ч.

При сооружении более крупной установки на топливных элементах (N=1564 кВт), работающей с 1997 г. в Кельне, потребовались удельные капитальные затраты в количестве 1500-1750 долл./кВт, но стоимость собственно топливных элементов составила только 400 долл. /кВт

Все вышеизложенное показывает, что топливные элементы - это перспективный вид энергопроизводящего оборудования как для промышленности, так и для автономных установок коммунально-бытового сектора. Высокий КПД использования газа и превосходные экологические характеристики дают основания полагать, что после решения важнейшей задачи - снижения стоимости -этот вид энергетического оборудования будет востребован на рынке автономных систем тепло- и электроснабжения.

portal-energo.ru

Топливный элемент - это... Что такое Топливный элемент?

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне[1] — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внешней мембране. Однако, копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах лишено смысла, т.к. на долю электрической разности потенциалов приходятся ничтожная доля химической энергии исходных веществ: почти вся энергия передаётся молекулам АТФ.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %)[источник не указан 1071 день].

КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды[2]. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.

Принцип разделения потоков топлива и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы и аккумуляторы содержат расходуемые твердые или жидкие реагенты, масса которых ограничена объёмом батарей, и когда электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, по крайней мере, в них нужно поменять израсходованные электроды и загрязнённый электролит. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны 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 внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.[источник не указан 710 дней]

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны[3].

Анодные материалы и катализаторы

Катодные материалы и катализаторы

Типы топливных элементов

Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2

История

История исследований в СССР и России

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 12 мая 2011.

В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.

Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.

Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт топливные элементы.

В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.

В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.

В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил кандидат технических наук Мирзоев Г. К.

10 ноября 2003 года было подписано[4] Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению[5]4 мая 2005 году Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимерным электролитом мощностью 1 кВт. По сообщению Информационного агентства «МФД-ИнфоЦентр»[6], ГМК «Норильский никель» ликвидирует[7] компанию «Новые энергетические проекты» в рамках объявленного в начале 2009 года решения избавляться от непрофильных и убыточных активов.

Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведется, появятся, видимо, в 2010—2015 годах.

Применение топливных элементов

Стационарные приложения

  • производство электрической энергии (на электрических станциях),
  • аварийные источники энергии,
  • автономное электроснабжение,

Транспорт

автомобильные топливные элементы Honda, см Honda FCX
  • электромобили, автотранспорт,
  • морской транспорт,
  • железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника
  • вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т. д.)

Бортовое питание

  • авиация, космос,
  • подводные лодки, морской транспорт,

Мобильные устройства

  • портативная электроника,
  • питание сотовых телефонов,
  • зарядные устройства для армии,
  • роботы.

Полная статья Водородная энергетика.

Преимущества водородных топливных элементов

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых

Высокий КПД

  • У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
  • Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 53 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %[8],
  • КПД почти не зависит от коэффициента загрузки,

Экологичность

В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды.

Компактные размеры

Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. [источник не указан 793 дня] Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Проблемы топливных элементов

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта?

Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

Проблема отравления катализатора и долговечности мембраны решается созданием элемента с механизмами самовосстановления — регенерация ферментов-катализаторов[источник не указан 528 дней].

Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной[источник не указан 710 дней] инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи).

Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Из простых химических элементов водород и углерод являются крайностями. У водорода самая большая удельная теплота сгорания, но очень низкая плотность и высокая химическая активность. У углерода самая высокая удельная теплота сгорания среди твердых элементов, достаточно высокая плотность, но низкая химическая активность из-за энергии активации. Золотая середина — углевод (сахар) или его производные (этанол) или углеводороды (жидкие и твердые). Выделяемый углекислый газ должен участвовать в общем цикле дыхания планеты, не превышая предельно допустимых концентраций.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя цена электроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0,09 за кВт·ч, тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04—$0,07 (см. Ветроэнергетика или AWEA). В Японии киловатт-час электроэнергии стоит около $0,2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённой фотоэлектрическими элементами. То есть с ростом цен на энергоносители производство водорода электролизом воды становится более конкурентоспособным.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1 % СО.

К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — невозобновляемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15-20 лет производства элементов[9].

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дешевы, не отравляются основными примесями в дешевом топливе. Обладают специфическими преимуществами[9]. Нечувствительность ферментов к CO и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Топливные Ячейки На Природном Газе. В Мире Автотранспорта. 1km-auto

топливные ячейки на природном газе

Высокотемпературные топливные ячейки – когенерационные источники энергии будущего

И.В. Маслов – представительство компании MTU, Москва

Высокотемпературные модульные топливные ячейки являются бесперебойными источниками генерации идеального по параметрам электрического тока. Они востребованы даже телекоммуникационными компаниями и компьютерными центрами, обычно очень чувствительными к качеству потребляемой электроэнергии.

Наряду с такими нетрадиционными источниками энергии, как солнечные батареи, ветроэлектрические станции и т. д. все более значительное место занимают так называемые топливные ячейки.

Немецкая компания MTU CFC Solutions разрабатывает и производит стационарные высокотемпературные модульные топливные ячейки (high temperature fuel cell, HTFC) в расплавах карбоната для экологически безопасной выработки электроэнергии, тепла и пара. Совместно с американской фирмой Fuel Cell Energy (FCE), производителем топливных элементов, MTU CFC Solutions запустила в эксплуатацию более 35 энергоустановок.

Высокотемпературные топливные ячейки, работающие на природном газе, могут генерировать 245 кВт электрической и 180 кВт тепловой мощности. Электрический КПД установки составляет при этом около 47%. Сравнение подтверждает: КПД жидкокарбонатной топливной ячейки выше, чем у других энергетических установок. Работает она практически бесшумно и без вибрации, что делает установку потенциально привлекательной для работы в городских условиях. На базе HTFC MTU возможна как утилизация тепла, так и генерация холода. Кроме природного газа, установки могут использовать в качестве топлива биогаз, угольный и рудничный газы, синтетические газы с высокой теплотой сгорания.

Топливные ячейки HTFC MTU наработали суммарно около 180000 часов и были рекомендованы к серийному производству. Они имеют низкий уровень эмиссии и требуют значительно меньше воздуха для процесса горения, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.

Топливные ячейки работают при температуре 650 °С, при этом возможна генерация пара температурой около 400 °С. Пар может использоваться для различных технологических нужд: например, для стерилизации медицинских инструментов в госпиталях, для вулканизации шин и т. д. Генерируемое тепло может также использоваться для генерации холода с помощью абсорбционных машин.

Благодаря высокому КПД уровень эмиссии углекислого газа несопоставимо ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Принципиальным является и тот факт, что в составе HTFC не используется каких-либо редких материалов.

Принцип действия высокотемпературного модуля топливных ячеек

Анод и катод внутри модуля разделяются мембраной. При поступлении водорода на анод и кислорода на катод начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. Данный процесс является обратным электролизу.

Мембрана между анодом и катодом состоит из электролита карбоната. Поэтому такое оборудование и относится к типу топливных ячеек в расплавах карбоната.

Ионы карбоната (СО3-2 ) проходят через мембрану и достигают анода, где свободный атом кислорода соединяется с водородом, превращаясь в воду, стекающую вниз. Параллельно образуются углекислый газ и два свободных электрона. Электроны движутся по проводнику к катоду, генерируя электрический ток.

Таким же образом оставшиеся молекулы СО2 поступают на катод, где абсорбируются свободные электроны и атом кислорода из воздуха. Затем углекислый газ участвует в реакции в качестве ионов карбоната.

Рабочая температура в модуле, составляющая около 650 °С, обеспечивает следующие преимущества:

•    возможность производства пара и холода

•    достижение наивысшего КПД за счет реформинга газа внутри ячейки

•    возможность применения традиционных металлов (с их обычной обработкой) как для ячеек, так и для модуля.

Устройство высокотемпературного модуля ВМ (MTU)

Высокотемпературный модуль отличает компактное расположение всех горячих компонентов в одном цилиндрическом корпусе. Его ключевым элементом является модуль топливных ячеек, расположенный горизонтально, – это позволяет подавать топливный газ снизу. В то же время под собственным весом модуля происходит герметизация всех стыков по газовому тракту, что повышает безопасность работы установки.

После сборки модуля, состоящего из индивидуальных топливных ячеек, его размещают внутри ВМ и монтируют вместе с топливной системой газоподачи. Высокотемпературные модули имеют ограниченные габаритные размеры, и их можно устанавливать в существующих помещениях. Кроме того, их легко транспортировать и осуществлять техобслуживание.

Интегрированная в ВМ система подачи газа позволяет обойтись без дорогостоящего монтажа труб для подвода газа, воздуха, отвода выхлопных газов, подачи воды.

Основными особенностями ВМ являются компактность и эффективность. Все горячие части объединены в одном контейнере, поэтому нет необходимости в периферийном размещении компонентов, что влияет на повышение уровня КПД.

Поступающий топливный газ подается на вертикально расположенные каналы анодов через газораспределительное устройство. При температуре 650 °С при взаимодействии природного газа и пара на анодах выделяется водород.

Газ, локально генерируемый с верхней части анодов, перемешивается с дополнительно подаваемым воздухом, после чего каталитически оксидируется.

Газовая смесь содержит углекислый газ и кислород, необходимые для выделения на катодах. Вентилятор обеспечивает циркуляцию газовой смеси по горизонтально расположенным каналам катодов. Образующийся на катодах газ имеет достаточно высокую температуру и может использоваться для когенерации тепла.

Компоненты мини-ТЭЦ на базе HTFC

Теплоэлектростанция состоит из трех блоков:

•    высокотемпературного модуля, который является основной частью мини-ТЭЦ. Он включает в себя горизонтально расположенный модуль топливных ячеек камеру смешения наружного воздуха и газов, образующихся на анодах и катодах сборник катодного газа два циркуляционных вентилятора и подогреватель для запуска

•    блока подготовки газа для топливных ячеек, где газ очищается от серы, подогревается и увлажняется

•    инвертора и модуля управления.

Постоянный ток от топливных ячеек преобразуется в переменный и поступает в общую сеть. С помощью системы управления может осуществляться дистанционное управление HTFC (обычно мини-ТЭЦ на базе топливных ячеек функционируют автономно).

Преимущества HTFC MTU

Многие преимущества мини-ТЭЦ на базе HTFC MTU свойственны всем высокотемпературным топливным ячейкам, но существуют такие, которые отмечаются только у этого типа электростанций.

•    низкая эмиссия выхлопных газов

•    бесшумная работа

•    экономия природных ресурсов, так как HTFC функционируют на возобновляемых источниках.

Высокая эффективность

•    электрический КПД в составе станции составляет 47%. При дооснащении мини-ТЭЦ паровыми турбинами возможно достижение суммарного электрического КПД до 65%

•    утилизация тепла при больших температурах

•    отсутствие необходимости в техобслуживании.

•    использование различных газов в качестве топлива с сохранением высокого уровня КПД (природный и угольный газ, биогаз, синтетические газы, в том числе метанол, а также другие газообразные или жидкие газокарбонаты)

•    идеальная установка для выработки электроэнергии и утилизации тепла или генерации холода.

•    коэффициент готовности – 98% (благодаря небольшому количеству сменных узлов)

•    высокое качество генерируемой энергии

•    конструктивно несложная структура системы.

HTFC MTU вырабатывают электрический ток постоянного или переменного напряжения без отклонения выходного напряжения и частоты от постоянного значения. В связи с этим они востребованы даже телекоммуникационными компаниями и компьютерными центрами, которые обычно очень чувствительны к качеству потребляемой электроэнергии.

Дополнительным преимуществом HTFC MTU является территориальная близость к потребителю, что делает их идеальными для использования в качестве независимого источника электроэнергии.

Топливные элементы (топливные ячейки)

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 элемент включает 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.

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.

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.

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).

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2h3 = 4H + + 4e -

Реакция на катоде: O2 + 4H + + 4e - = 2h3 O

Общая реакция элемента: 2h3 + O2 = 2h3 O

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. 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 на расплаве карбоната (РКТЭ).

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. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

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 (CO3 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: CO3 2- + h3 = h3 O + CO2 + 2e -

Реакция на катоде: CO2 + 1 /2 O2 + 2e - = CO3 2-

Общая реакция элемента: h3 (g) + 1 /2 O2 (g) + CO2 (катод) = h3 O(g) + CO2 (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, отравлению , и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (h4 PO4 ) 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 (МОПТЭ), 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: 2h3 = 4H + + 4e -

Реакция на катоде: O2 (g) + 4H + + 4e - = 2h3 O

Общая реакция элемента: 2h3 + O2 = 2h3 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, СО2 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 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы Джемини . Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

Реакция на аноде: 2h3 + 4OH - = 4h3 O + 4e -

Реакция на катоде: O2 + 2h3 O + 4e - = 4OH -

Общая реакция элемента: 2h3 + O2 = 2h3 O

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100 C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

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 (О2 - ). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

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 (О2 - ). 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: 2h3 + 2O2 - = 2h3 O + 4e -

Реакция на катоде: O2 + 4e - = 2O2 -

Общая реакция элемента: 2h3 + O2 = 2h3 O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, 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 70%.

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.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

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 (Ch4 OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2. 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: Ch4 OH + h3 O = CO2 + 6H + + 6e -

Реакция на катоде: 3 /2 O2 + 6H + + 6e - = 3h3 O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120 C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

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 - = 4h3 O + 4e -

Реакция на катоде: O2 + 2h3 O + 4e - = 4OH -

Общая реакция системы: 2h3 + O2 = 2h3 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. Кроме того, 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 CO2. который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 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, h3 O и Ch5. которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды h3 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 С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

В твердокислотных топливных элементах электролит (Cs HSO4 ) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300 С. Вращение окси анионов SO4 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.

Источники: http://www.turbine-diesel.ru/rus/node/2088, http://www.energy-units.ru/en_units.php

Комментариев пока нет!

www.1km-auto.ru

w-rabbit.narod.ru


Смотрите также

  • Возможные причины
  • Причины большого
  • Причины расхода масла в двигателе ваз 2106
  • Асло причины повышения
  • Греется двигатель мтз 80 причины
  • Имеет ли право полиция останавливать машину без причины
  • Причина попадания масла в воздушный фильтр
  • Масло в интеркулере дизельного двигателя причины
  • Причины плохого запуска двигателя дизельного
  • Причина кипения охлаждающей жидкости
  • Ямаха викинг заклинило двигатель причина

........................................................

Задать вопрос – НА ФОРУМЕ Получить информацию – В РАЗДЕЛАХ Сказать спасибо – В ГОСТЕВОЙ Искать – ЗДЕСЬ

........................................................

Возьми кнопку себе на сайт! <a href="http://w-rabbit.narod.ru"> <img src="http://w-rabbit.narod.ru/w-rabbit.gif" width=88 hight=31 border=0></a>

........................................................

© 2001. Design by Grayscale

........................................................

В. А. Орлов

Первые образцы топливных элементов были созданы еще в 1839 году Грове. Принцип действия этих элементов состоял в непрерывном окислении водорода на одном из платиновых электродов, полупогруженных в электролит. Конечным результатом химической реакции между кислородом и водородом, омывавших электроды, было образование воды с одновременным возникновением электродвижущей силы, величина которой достигала 1 в.

В 1876 году инженер-поручиком П. Н. Яблочковым был получен патент на "электродвижущий элемент горения", являющийся одним из вариантов водородно-кислородных элементов, а в 1890 году им же предложена "автоаккумуляторная гальваническая батарея" с весьма интересной патентной формулой, в которой указывалось, что автоаккумулятор представляет "элемент постоянного действия, положительный электрод которого непрестанно поляризуется, и электрический аккумулятор, действующий по желанию, лишь только замкнута цепь между телом, аккумулирующим водород, и телом, аккумулирующим кислород". Водородным электродом в топливном элементе Яблочкова был свинец, кислородным — пористый уголь, а в качестве топлива в этом элементе был применен металлический натрий.

Важность решения проблемы создания топливного элемента заключается в том, что в отличие от химических источников тока, ресурс работы которых зависит от количества запасеных электродами активных веществ, топливные элементы могут работать столько времени, сколько будут подводиться вещества, необходимые для их действия. То есть топливные источники тока можно отнести к генераторам, аналогичным по своему действию тепловым машинам, где сжигается топливо для получения механической энергии.

Способность непосредственного превращения энергии топлива в электрическую является важнейшей особенностью топливных элементов, поскольку их теоретический коэффициент полезного действия может достигать 100%, а к. п. д., достигнутый в современных образцах топливных элементов, уже в настоящее время составляет 60–70%. При этом необходимо напомнить, что к. п. д. таких машин, как паровая или газовая турбина, не превышает 40%, не говоря уже о двигателях внутреннего сгорания и паровых машинах с к. п. д. 30 и 20% соответственно.

Кроме того, топливные элементы характеризуются весьма высокими удельными характеристиками. Например, величина удельной энергии кислородно-водородного элемента для режима длительной эксплуатации может достигать 1000 Вт•ч/кг, в то время как лучшие образцы гальванических элементов и аккумуляторов по удельной энергии не превышают 110–140 Вт•ч/кг. Если при этом учесть, что топливные элементы не выделяют вредных веществ, бесшумны и могут действовать в течение длительного времени, то вполне понятен интерес, проявляемый к этим источникам тока.

Принцип действия топливного элемента состоит в том, что при пропускании кислорода и водорода через пористые трубки, находящиеся в сосуде со щелочным электролитом, происходит соединение атомов водорода с гидроксильным остатком OH, полученным в результате распада электролита на ионы калия и остаток OH. При этом образуется вода и высвобождаются электроны:

2h3– + 4OH —> 4h3O + 4e.

В то же время на положительном электроде происходит соединение кислорода с водой и образование гидроксильного остатка OH.

В принципе в топливном элементе в качестве отрицательного электрода может служить не только водород, но и любое углеводородное топливо — метан, водяной газ, природный газ, окись углерода и др. Положительным электродом служат кислород или воздух, а также сильные окислители.

Принцип действия топливного элемента состоит в том, что электроны, накопленные на трубке, являющейся отрицательным электродом, направляются во внешнюю цепь на кислородный положительный электрод, где захватываются кислородом, в результате чего по внешней цепи начинает протекать электрический ток. Таким образом, кислород непрерывно пополняет в электолите расход OH, а водород поддерживает необходимое количество воды в электролите.

Химический процесс, протекающий в топливном элементе, противоположен процессу электролитического разложения воды, где при пропускании тока через подкисленную воду образуется кислород и водород.

В настоящее время разработано большое количество топливных элементов, отличающихся принципом действия и конструктивным исполнением. В соответствии с принятой в электрохимии классификацией топливные элементы могут быть разбиты на четыре основные группы: I — низкотемпературные элементы с рабочей температурой до 100°C; II — среднетемпературные от 100° до 300°C; III — высокотемпературные от 300° до 1000°C; IV — регенеративные или редокс-элементы.

К низкотемпературным элементам относится ряд водородно-кислородных элементов со щелочным электролитом. По принципу действия эти элементы практически не отличаются от описанного выше. Важной проблемой, от решения которой зависит промышленная реализация элементов этого типа, является создание высокопористого угольного электрода, рассчитанного на большие плотности тока, несмачиваемого электролитом. Другие типы низкотемпературных элементов имеют металлокерамические пористые электроды, а электролитом пропитываются пористые прокладки между электродами.

Разработанные фирмой "Дженерал электрик" портативные генераторы для питания связных установок и радиолокационных полевых станций мощностью 200 Вт имеют в качестве электродов платинированные металлические сетки, нанесенные на обе стороны пластины из специальной ионообменной смолы, являющейся твердым электролитом. Если в первоначальных разработках такие мембраны из ионообменных смол позволяли снимать с электродов ток плотностью 20–30 мА/см2, то в последующем удалось разработать мембраны, рассчитанные на съем тока до 200 мА/см2.

Батарея, составленная из топливных элементов такого типа, была установлена на американском космическом корабле "Джемини". Напряжение каждого из элементов, входящих в батарею, 0,8 В. Мощность батареи 2 кВт пр к. п. д. 60%. В качества топлива батареи применялся жидкий водород, а окислитель — жидкий кислород. Образовавшаяся во время работы вода выводилась в коллектор и могла быть использована экипажем в качестве питьевой. По мнению американских специалистов, батареи такого типа могут успешно применяться на подводных лодках системы противолодочной обороны.

В батарее для подводных лодок, изготавливаемой в Швеции, вместо жидкого водорода, хранение которого представляет известные технические трудности, предполагается использовать жидкий аммиак, который допускает хранение в тонкостенных баллонах.

В других низкотемпературных топливных элементах используется такое горючее, как метанол, гидразин, металлический натрий. Такие батареи разрабатываются различными фирмами Швейцарии, Германии и США на мощность от 10 Вт до 3 кВт.

К среднетемпературным топливным элементам относится широко известный элемент Бэкона с пористыми электродами, конструкция которого обеспечивает хорошую ионную проводимость между электродными материалами — водородом и кислородом — и электролитом — KOH, одновременно препятствуя их смешиванию или вытеснению. Элемент работает при температуре 200°C. На этом принципе в США разработаны топливные элементы, допускающие съем тока плотностью до 250 мА/см2 при напряжении 0,92 В. В батарее, разработанной для проекта "Аполло", мощностью 3 кВт, так же как и в батарее корабля "Джемини", образующаяся в результате электрохимической реакции вода может быть использована космонавтами для питья. Охлаждение батареи также жидкостное по замкнутой схеме с использованием в качестве хладоагента этиленгликоля. Электролитом в батарее служит расплавленный 85% раствор KOH.

В батареях других типов, где в качестве электролита используется концентрированная ортофосфорная кислота, возможно применение в качестве топлива паров спирта и углеводородов, что сильно упрощает конструкцию батареи и ее эксплуатацию, поскольку отпадает необходимость в давлении при одаче топлива.

Высокотемпературные топливные элементы привлекают внимание инженеров и ученых принципиальной возможностью использования в них в качестве топлива не только водорода, но и углеводородов, окиси углерода, метилового спирта, природного газа, аммиака и даже твердого топлива — кокса, древесного угля, ламповой сажи. В качестве электродов в высокотемпературных элементах применяются платина, серебро, окись цинка. Электролиты элементов этого типа представляют либо расплавленные карбонаты щелочных металлов, например Na2CO3, либо так называемые твердые электролиты, составленные из спеченной смеси церия, циркония, лантана, или представляющие собой керамические пористые пластины, пропитанные расплавленными карбонатами. Назначением электролитов в элементах этого типа является обеспечение хорошей ионной проводимости в направлении катод—анод для ионов кислорода и недопущение электронной проводимости.

Создание промышленных образцов высокотемпературных топливных элементов осложняется рядом технологических и конструктивных трудностей, к числу которых относится разрушение электродов элементов, разложение электролита, необходимость поддержания высокой температуры в рабочей камере и т. д.

В образцах топливных элементов, работающих на углеводородном топливе, удалось достигнуть высокую плотность тока — около 150 мА/см2 — при сроке службы элементов 1500 ч. Другие элементы, работающие на твердом топливе, позволяли снимать ток плотностью до 40 мА/см2 при напряжении 0,7 В, однако срок их службы ограничивался десятками часов. Высокотемпературные элементы могут найти применение в аппаратуре с ограниченным сроком службы, но основное их назначение в энергетике будущего — прямое преобразование энергии твердых топлив в электрическую с высоким к. п. д.

Четвертая группа топливных элементов — регенеративные, или редокс-элементы — отличается от ранее описанных способностью восстановления активных веществ, израсходованных на образование электрического тока. Регенерация активных веществ может производиться различными способами, однако наибольший практический интерес представляет химическая регенерация. Приведем схему работы редокс-элемента, в котором протекают реакции, не связанные с химическим изменением вещества, а только изменяющие валентность инертных электродов, например олова или брома.

В отрицательном электроде элемента происходит реакция восстановления четырехвалентного олова в двухвалентное, связанная с приобретением электродом двух электронов, в результате чего он заряжается отрицательно. На положительном электроде происходит реакция окисления брома в двухвалентный бром кислородом воздуха, и электрод заряжается положительно.

Таким образом, между положительным и отрицательным электродами редокс-элемента возникает разность потенциалов. Элементы с переменной валентностью — олово и бром — в этом образце редокс-элемента являются электролитами. Олово, которым пропитан отрицательный угольный пористый электрод, называется католитом, а бром в положительном также угольном электроде — анолитом. Оба электрода разделены ионообменной мембраной, не допускающей смешивания электролитов, но не препятствующей обмену ионами.

Процесс токообразования в этом элементе сводится к восстановлению иона высоковалентного вещества анолита (в данном случае брома) и окислению иона католита (олова) в низком валентном состоянии в высоковалентное.

Поскольку расходуемыми в процессе работы регенеративного элемента веществами являются горючее (окись углерода) и окислитель (кислород воздуха), то для поддержания непрерывной работы элемента требуется регенерация веществ католита и анолита, которая и происходит, как это было указано выше, путем восстановления горючим олова (католита) и окисления кислородом брома (анолита).

Суммарную реакцию токообразования (и в обратном направлении — регенерацию) в элементе можно представить следующим образом:

Sn2+ + Br2 <—> Sn4+ + 2Br–.

Так как горение окиси углерода и ее превращение в углекислый газ CO2 приводят к возникновению э. д. с. 1,02 В, то и вещества, применяемые в католите и анолите, также должны совпадать по своим электродным потенциалам с э. д. с. В системе олово–бром изменение валентности олова в католите дает 0,15 В, а брома — 1,07 В. Суммарная э. д. с. равна 1,22 В, т. е. примерно совпадает.

Редокс-элементы работают при нормальной температуре, что является их положительным качеством. Кроме того, выделяемое ими тепло может быть использовано в самом элементе для обеспечения процесса регенерации, на что в других видах топливных элементов требуетя подвод дополнительного тепла, иногда превышающего полезную энергию электрического тока.

Топливные элементы наряду с присущими им положительными качествами — высоким к. п. д., бесшумностью работы, отсутствием вредных выделений во время работы и относительно высоким сроком службы — имеют и недостатки: необходимость применения взрывоопасных смесей, большие габариты баллонов для хранения топлив и окислителей, большие габариты всей установки, включая систему охлаждения и т. д.

Применение топливных элементов ограничивается питанием аппаратуры средней и большой мощности от сотен ватт до десятков и сотен киловатт, причем время питания должно быть достаточно большим. Тогда удельные характеристики топливных элементов становятся несоизмеримыми с обычными химическими источниками тока, удельная энергия которых не превышает 200 Вт•ч/кг, в то время как удельная энергия топливных элементов длительного действия очевидно не ограничится 1000 Вт•ч/кг.

Весьма вероятно использование топливных элементов в электромобиле, поскольку попытки, произведеные конструкторами США в этом направлении, дали положительные результаты.

<<<