Топливные элементы принцип работы и устройство


Топливные элементы. Электрохимические генераторы. Применение

Топливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно.

Устройство

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую.

Устройство топливного элемента включает три основные части:

  1. Секция выработки энергии;
  2. Процессор;
  3. Преобразователь напряжения.

Основной частью топливного элемента является секция выработки энергии, которая представляет батарею, выполненную из отдельных топливных ячеек. В структуру электродов топливных ячеек включен платиновый катализатор. При помощи этих ячеек создается постоянный электрический ток.

Одно из таких устройств имеет следующие характеристики: при напряжении 155 вольт выдается 1400 ампер. Размеры батареи составляют 0,9 м в ширину и высоту, а также 2,9 м в длину. Электрохимический процесс в нем осуществляется при температуре 177 °C, что требует нагревания батареи в момент пуска, а также отвода тепла при ее эксплуатации. С этой целью в состав топливного элемента включается отдельный водяной контур, в том числе батарея оснащается специальными охлаждающими пластинами.

В топливном процессе происходит преобразование природного газа в водород, который требуется для электрохимической реакции. Главным элементом топливного процессора является реформер. В нем природный газ (или иное водородсодержащее топливо) взаимодействует при высоком давлении и высокой температуре (порядка 900 °C) с водяным паром при действии катализатора — никеля.

Для поддержания необходимой температуры реформера имеется горелка. Пар, который требуется для реформинга, создается из конденсата. В батарее топливных ячеек создается неустойчивый постоянный ток, для его преобразования применяется преобразователь напряжения.

Также в блоке преобразователя напряжения имеются:

  1. Управляющие устройства.
  2. Схемы защитной блокировки, которые отключают топливный элемент при различных сбоях.
Принцип действия

Простейший элемент с протонообменной мембраной состоит из полимерной мембраны, которая находится между анодом и катодом, а также катодными и анодными катализаторами. Полимерная мембрана применяется в качестве электролита.

• Протонообменная мембрана выглядит как тонкое твердое органическое соединение небольшой толщины. Данная мембрана работает как электролит, она в присутствии воды разделяет вещество на отрицательно, а также положительно заряженные ионы.• На аноде начинается окисление, а на катоде происходит восстановительный. Катод и анод в PEM-элементе выполнены из пористого материала, он представляет смесь частичек платины и углерода. Платина работает в роли катализатора, что способствует протеканию реакции диссоциации. Катод и анод выполнены пористыми, чтобы кислород и водород сквозь них свободно проходили.• Анод и катод находятся между двумя металлическими пластинами, они подводят кислород и водород к катоду и аноду, а отводят электрическую энергию, тепло и воду.• Сквозь каналы в пластине молекулы водорода поступают на анод, где осуществляется разложение молекул на атомы.• В результате хемосорбции при воздействии катализатора атомы водорода преобразуются в положительно заряженные водородные ионы H+, то есть протоны.• Протоны диффундируют к катоду через мембрану, а поток электронов идет к катоду через специальную внешнюю электрическую цепь. К ней подключена нагрузка, то есть потребитель электрической энергии.• Кислород, который подается на катод, при воздействии вступает в химическую реакцию с электронами из наружной электрической цепи и ионами водорода из протонообменной мембраны. В результате данной химической реакции появляется вода.

Химическая реакция, происходящая в топливных элементах иных типов (к примеру, с кислотным электролитом в виде ортофосфорной кислоты h4PO4) полностью идентична реакции устройства с протонообменной мембраной.

Виды

На текущий момент известно несколько видов топливных элементов, которые различаются составом применяемого электролита:

  1. Топливные элементы на базе ортофосфорной или фосфорной кислоты (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
  2. Устройства с протонообменной мембраной (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
  3. Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
  4. Электрохимические генераторы на базе расплавленного карбоната (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

На текущий момент большее распространение получили электрохимические генераторы, использующие технологию PAFC.

Применение

Сегодня топливные элементы используются в «Space Shuttle», космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья, в том числе для охлаждения оборудования.

Электрохимические генераторы также применялись для энергоснабжения советского «Бурана», корабля многоразового использования.

Топливные элементы находят применение и в гражданской сфере.

• Стационарные установки мощностью 5–250 кВт и выше. Они находят применение в качестве автономных источников для тепло- и электроснабжения промышленных, общественных и жилых зданий, аварийных и резервных источников электроснабжения, источников бесперебойного питания.• Портативные установки мощностью 1–50 кВт. Они применяются для космических спутников и кораблей. Создаются экземпляры для тележек для гольфа, инвалидных колясок, железнодорожных и грузовых рефрижераторов, дорожных указателей.• Мобильные установки мощностью 25–150 кВт. Они начинают применяются в военных кораблях и субмаринах, в том числе автомобилях и иных транспортных средствах. Опытные образцы уже создали такие автомобильные гиганты, как «Renault», «Neoplan», «Toyota», «Volkswagen», «Hyundai», «Nissan», ВАЗ, «General Motors», «Honda», «Ford» и другие.• Микроустройства мощностью 1–500 Вт. Они находят применение в опытных карманных компьютерах, ноутбуках, бытовых электронных устройствах, мобильниках, современных военных приборах.

Особенности

• Часть энергии химической реакции в каждом топливном элементе выделяется в виде тепла. Требуется охлаждение. Во внешней цепи поток электронов создает постоянный ток, используемый для совершения работы. Прекращение движения ионов водорода или размыкание внешней цепи приводит к остановке химической реакции.• Количество электроэнергии, создаваемой топливным элементом, определяется давлением газа, температурой, геометрическими размерами, видом топливного элемента. Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно сделать размеры топливных элементов больше, но на практике применяют несколько элементов, которые объединяются в батареи.• Химический процесс в некоторых видах топливных элементов может быть обратным. То есть при подаче разности потенциалов на электроды воду можно разложить на кислород и водород, которые будут собираться на пористых электродах. С включением нагрузки подобный топливный элемент будет вырабатывать электрическую энергию.

Перспективы

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода, электрохимические генераторы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

  1. Автомобили будут работать на топливных элементах, ДВС в них вообще не будет. В качестве источника энергии будет применяться вода или твердотельный водород. Заправка будет простой и безопасной, а езда экологичной – будет вырабатываться только водяной пар.
  2. Все здания будут иметь собственные портативные энергогенераторы, выполненные на топливных элементах.
  3. Электрохимические генераторы заменят все аккумуляторы и будут стоять в любой электронике и бытовых приборах.
Достоинства и недостатки

У каждого вида топливного элемента свои недостатки и достоинства. Одни требуют высокого качество топлива, другие имеют сложную конструкцию, нуждаются в высокой рабочей температуре.

В целом же можно указать следующие достоинства топливных элементов:

  1. безопасность для окружающей среды;
  2. электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
  3. электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
  4. гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

  1. технические трудности с хранением и транспортом топлива;
  2. несовершенные элементы устройства: катализаторы, мембраны и так далее.
Похожие темы: Комментарии:

Похожее

 

electrosam.ru

Топливный элемент - Википедия

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.

Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) 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 внутренней мембране. Однако копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах затруднительно, так как протонные помпы митохондрий имеют белковую природу.

Устройство ТЭ[ | ]

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков горючего 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 твёрдые 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 нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из 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.

Мембрана[ | ]

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной ( (Nafion), и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны[2].

Анодные и катодные материалы и катализаторы[ | ]

Анод и катод, как правило, — это просто проводящий катализатор — платина, нанесенная на высокоразвитую углеродную поверхность.

Типы топливных элементов[ | ]

Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2

Основные типы топливных элементов[3]

Тип топливного элемента Реакция на аноде Электролит Реакция на катоде Температура, °С
Щелочной ТЭ (англ. Alkaline fuel cells — AFC) 2h3 + 4OH- → 2h3O + 4e- Раствор КОН O2 + 2h3O + 4e- → 4OH- 200
(англ. Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC) 2h3 → 4H+ + 4e- Протонно-обменная мембрана O2 + 4H+ + 4e- → 2h3O 80
Метанольный ТЭ (англ. Direct-methanol fuel cell — DMFC) 2Ch4OH + 2h3O → 2CO2 + 12H+ + 12e- Протонно-обменная мембрана 3O2 + 12H+ + 12e- → 6h3O 60
ТЭ на основе ортофосфорной кислоты (англ. Phosphoric-acid fuel cells — PAFC) 2h3 → 4H+ + 4e- Раствор фосфорной кислоты O2 + 4H+ + 4e- → 2h3O 200
(англ. Molten-carbonate fuel cells — MCFC) 2h3 + 2CO32- → 2h3O + 2CO2 + 4e- Расплавленный карбонат O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32- 650
Твердотельный оксидный ТЭ (англ. Solid-oxide fuel cells — SOFC) 2h3 + 2O2- → 2h3O + 4e- Смесь оксидов O2 + 4e- → 2O2- 1000

История[ | ]

Первые открытия[ | ]

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым У. Гроувом, который обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества[4]. Свой прибор, где удалось провести эту реакцию, ученый назвал "газовой батареей", и это был первый топливный элемент. Однако в последующие 100 лет эта идея не нашла практического применения.

В 1937 г. профессор Ф.Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х он разработал батарею из 40 топливных элементов, имеющую мощность 5 кВт. Такую батарею можно было применить для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъемника[5]. Батарея работала при высоких температурах порядка 200°С и более и давлениях 20-40 бар. Кроме того, она была весьма массивна.

История исследований в СССР и России[ | ]

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[6] Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению[7]4 мая 2005 года Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твёрдым полимерным электролитом мощностью 1 кВт. По сообщению Информационного агентства «МФД-ИнфоЦентр», ГМК «Норильский никель» ликвидирует[8] компанию «Новые энергетические проекты» в рамках объявленного в начале 2009 года решения избавляться от непрофильных и убыточных активов.

В 2008 году была основана компания «ИнЭнерджи», которая занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами в области электрохимических технологий и систем электропитания. По результатам проведенных исследований, при кооперации с ведущими институтами РАН (ИПХФ, ИФТТ и ИХТТ), был реализован ряд пилотных проектов, показавших высокую эффективность. Для компании «МТС» была создана и введена в эксплуатацию модульная система резервного питания на безе водородно-воздушных топливных элементов, состоящая из ТЭ, системы управления, накопителя электроэнергии и преобразователя. Мощность системы до 10кВт.

Водородно-воздушные энергетические системы обладают рядом неоспоримых преимуществ, среди которых широкий температурный диапазон эксплуатации внешней среды (-40..+60С), высокий КПД (до 60%), отсутствие шума и вибраций, быстрый старт, компактность и экологичность (вода, как результат “выхлопа”).

Совокупная стоимость владения водородно-воздушных систем значительно ниже обычных электрохимических батарей. Кроме того, они обладают высочайшей отказоустойчивостью за счет отсутствия движущихся частей механизмов, не нуждаются в техническом обслуживании, а срок их эксплуатации достигает 15 лет, превосходя классические электрохимические батареи вплоть до пяти раз.

Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведётся, появятся, видимо, после 2016-го года.

Применение топливных элементов[ | ]

Полная статья Водородная энергетика.

Топливные элементы первоначально применялись только в космической отрасли, однако в настоящее время сфера их применения непрерывно расширяется. Их применяют в стационарных электростанциях, в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения зданий, в двигателях транспортных средств, в качестве источников питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств пока не покинула стен лабораторий, другие уже коммерчески доступны и давно применяются.

Примеры применения топливных элементов[3]

Область применения Мощность Примеры использования
Стационарные установки 5-250 кВт и выше Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
Портативные установки 1-50 кВт Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники
Транспорт 25-150 кВт Автомобили и другие транспортные средства, военные корабли и подводные лодки
Портативные устройства 1-500 Вт Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры, различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

Широко используются высокомощные энергетические установки на базе топливных элементов. В основном такие установки работают на основе элементов на базе расплавленных карбонатов, фосфорной кислоты и твердых оксидов. Как правило, такие установки используют не только для выработки электроэнергии, но и для получения тепла.

Большие усилия прилагаются для разработки гибридных установок, в которых высокотемпературные топливные элементы комбинируются с газовыми турбинами. КПД таких установок может достигать 74,6% при усовершенствовании газовых турбин.

Активно выпускаются и маломощные установки на базе топливных элементов.

Техническое регулирование в области производства и использования топливных элементов.

В 19 августа 2004 г. Международной электротехнической комиссией (International Electrotechnical Commission, IEC) был выпущен первый международный стандарт IEC 62282–2  «Технологии топливных элементов. Часть 2, Модули топливных элементов». Это был первый стандарт серии IEC 62282, разработка которой осуществляется Техническим комитетом «Технологии топливных элементов» (TC/IEC 105). В состав Технического комитета ТС/IEC 105 входят постоянные  представители из 17 стран и наблюдатели из 15 стран мира.

TC/IEC 105 разработал и издал 14 международных стандартов серии IEC 62282, охватывающих широкий спектр тематики, связанной со стандартизацией энергоустановок на основе топливных элементов. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации (РОССТАНДАРТ) является коллективным членом Технического комитета ТС/IEC 105 на правах наблюдателя. Координационную деятельность с МЭК со стороны Российской Федерации осуществляет секретариат РосМЭК (Росстандарт), а работы по имплементации стандартов МЭК производятся национальным Техническим комитетом по стандартизации ТК 029 «Водородные технологии», Национальной ассоциацией  водородной энергетики (НАВЭ) и ООО «КВТ». В настоящее время РОССТАНДАРТ принял следующие национальные и межгосударственные стандарты, идентичные международным стандартам IEC:

ГОСТ Р 56188.1-2014/IEC/TS 62282-1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология»;

ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 2. Модули топливных элементов»;

ГОСТ Р МЭК 62282-3-100-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-100. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»;

ГОСТ Р МЭК 62282-3-200-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-200. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик»;

ГОСТ IEC 62282–3–201–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3–201. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик систем малой мощности»;

ГОСТ IEC 62282–3–300–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3–300. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Монтаж»;

ГОСТ IEC 62282–5–1–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 5–1 Портативные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»

ГОСТ IEC 62282-7-1–2016 «Технологии топливных элементов – Часть 7-1: Методы испытаний единичных элементов для топливных элементов с полимерным электролитом».

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. 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. Результативный максимум КПД составляет 53 %, чаще же он находится на уровне 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 %[нет в источнике][9].
  • КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

Экологичность[ | ]

За: В воздух выделяется лишь водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.

Против: водород просачиваясь как из баллона так и топливного элемента, будучи легче воздуха безвозвратно покидает атмосферу Земли, что при массовом применении технологий на водороде, способно привести к глобальной потере воды, если водород будет производиться электролизом воды.[неавторитетный источник? 197 дней]

Компактные размеры[ | ]

Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, 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 2501 день] 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 2236 дней].

Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной[источник не указан 2418 дней] инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (суперконденсаторы, аккумуляторные батареи).

Также существует проблема получения 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 твёрдых элементов, достаточно высокая плотность, но низкая химическая активность из-за энергии активации. Золотая середина — углевод (сахар) или его производные (этанол) или углеводороды (жидкие и твёрдые). 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 очень дорогостоящие. Очевидно, что при неизменном балансе первичных энергоносителей, с ростом потребностей в водороде как в массовом топливе и развитию устойчивости потребителей к загрязнениям, рост производства будет расти именно за счёт этой доли, а с наработкой инфраструктуры, позволяющей иметь его в доступности, более дорогие (но более удобные в некоторых ситуациях) способы будут отмирать. Прочие способы, в которые водород вовлечён в качестве вторичного энергоносителя, неизбежно нивелируют его роль от топлива до своего рода химического аккумулятора. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт из-за этого неизбежно. 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. Учитывая территориальную удалённость некоторых перспективных областей (например, транспортировать полученную фотоэлектрическими станциями электроэнергию из Африки напрямую, по проводам, явно бесперспективно, несмотря на её огромный энергетический потенциал в этом плане), даже работа водорода как «химического аккумулятора» может быть вполне рентабельной. По данным на 2010 г. стоимость энергии водородного топливного элемента должна подешеветь в восемь раз, чтобы стать конкурентноспособной с энергией, производимой тепловыми и атомными электростанциями[3].

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[10].

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дёшевы, не отравляются основными примесями в дешёвом топливе. Обладают специфическими преимуществами[10]. Нечувствительность ферментов к СО и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор[ | ]

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор использует окисление алюминия кислородом воздуха для производства электроэнергии. Токогенерирующую реакцию в нем можно представить в виде:

4Al+3O2+6h3O→4Al(OH)3{\displaystyle 4Al+3O_{2}+6H_{2}O\rightarrow 4Al(OH)_{3}}, E=2,71V{\displaystyle E=2,71V},

а реакцию коррозии:

2Al+6h3O→2Al(OH)3+3h3{\displaystyle 2Al+6H_{2}O\rightarrow 2Al(OH)_{3}+3H_{2}}.

Серьезными преимуществами воздушно-алюминиевого электрохимического генератора являются: высокий (до 50 %) коэффициент полезного действия, отсутствие вредных выбросов, простота обслуживания[11].

Использование топливных элементов в космических аппаратах[ | ]

В 2010 году НАСА выдало заказ фирме United Technologies Corporation на разработку перспективного высокотемпературного топливного элемента для ракетоносителя Space Launch System. Из всех возможных типов топливных элементов именно высокотемпературные отвечают требованиям к компактности, мощности и удельной энергии. Основным топливом будет служить газообразный водород под давлением свыше 90 МПа, кислород будет иметь интерметаллидную форму хранения с возможностью дозаправки от высокотемпературного электролизёра. Современные разработки в институте МИРЭА в области катализаторов позволяют полностью отказаться от металлов платиновых групп, что резко снижает стоимость топливных элементов. Таким образом комплексная интеграция мембранно-электродных блоков с биполярными пластинами позволяет осуществить автономный космический полёт более 5 суток.

См. также[ | ]

Примечания[ | ]

10.Водородные топливные элементы и его удивительные функции

Ссылки[ | ]

encyclopaedia.bid

Топливные элементы: общие сведения. Cleandex

Топливный элемент — электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую.

Основные отличия топливных элементов от электрических аккумуляторов заключаются в следующем:

1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника;

2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т. е. топливный элемент не нуждается в перезарядке. 

Принцип действия

Топливный элемент (рис. 1) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

Рисунок 1. Водородно-кислородный топливный элемент

Эти элементы непрерывно снабжаются кислородом и водородом для получения электрической энергии в результате постоянно поддерживающейся химической реакции.

В изображенном на рис. 1 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

h3 <=> 2h3H <=> 2H+ + 2e-.

Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:

½ O2 + 2H+ + 2e- → h3O

В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH–) с образованием воды и электрона:

h3 + 2OH- → 2h3O+2e-.

На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксила O2H–). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:

½ O2 + h3O + 2e- → 2OH-.

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов процесс может быть обращен – приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, которые могут быть собраны на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме.

Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.

Типы топливных элементов

Существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, по характеру применения.

Элементы на водородном топливе

В этом типичном описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250° С) и высоком давлении. Элементы, использующие водородное топливо, получаемое при переработке углеводородного топлива, например природного газа или нефтепродуктов, по-видимому, найдут наиболее широкое коммерческое применение. Объединяя большое число элементов, можно создавать мощные энергетические установки. В этих установках постоянный ток, вырабатываемый элементами, преобразуется в переменный со стандартными параметрами.

Новым типом элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (рис. 2). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

Рисунок 2. Толпивный элемент с ионообменной мембраной

Элементы на углеводородном и угольном топливах

Топливные элементы, которые могут превращать химическую энергию таких широко доступных и сравнительно недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, непосредственно в электричество, являются предметом интенсивного исследования. Однако пока не достигнуто заметных успехов в создании топливных элементов, работающих на газах, получаемых из углеводородного топлива, при нормальной температуре.

Для повышения скорости реакции углеводородного и угольного топлива приходится повышать рабочую температуру топливного элемента. Электролитами служат расплавы карбонатов или других солей, которые заключаются в пористую керамическую матрицу. Топливо «расщепляется» внутри элемента с образованием водорода и оксида углерода, которые поддерживают протекание токообразующей реакции в элементе.

Элементы, работающие на других видах топлива

В принципе реакции в топливных элементах не обязательно должны быть реакциями окисления обычных топлив. В перспективе могут быть найдены и другие химические реакции, которые позволят осуществить эффективное непосредственное получение электричества. В некоторых устройствах электроэнергия получается при окислении, например, цинка, натрия или магния, из которых изготавливаются расходуемые электроды.

Коэффициент полезного действия

Превращение энергии обычных топлив (угля, нефти, природного газа) в электричество было до сих пор многоступенчатым процессом. Сжигание топлива, позволяющее получить пар или газ, необходимые для работы турбины или двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор, – процесс не очень эффективный. Действительно, коэффициент использования энергии такого превращения ограничен по второму закону термодинамики, и его вряд ли можно существенно поднять выше существующего уровня.

Коэффициент использования энергии топлива самых современных паротурбинных энергетических установок не превышает 40%. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество, и энергетические установки на топливных элементах, использующие водород из углеводородного топлива, проектируются на КПД 40–45%.

Источник: www.krugosvet.ru

www.cleandex.ru

Как работают топливные элементы | qriosity.ru

В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.

Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?

В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.

Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии. Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.

Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор. Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.

В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.

Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.

 

Изобретение топливных элементов

Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей. Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.

Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации  энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.

Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.

Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.

Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)

Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.

Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)

 Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell  (MCFC)

Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.

Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.

Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.

 

 Топливный элемент с полимерной мембраной обмена

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.

1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.

2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

3. Электролит-протонообменная мембрана. Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.

4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.

 

 На рисунке показан газообразный водород (h3), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула h3 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.

Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (h3O).

Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.

 

Эффективность топливного элемента

Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.

Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.

Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.

Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.

 

Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях

Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.

У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.

Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено.  Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.

Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.

Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.

Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.

 

Зачем нужно использовать топливные элементы?

Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.

Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.

Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.

Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.

Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды

Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.

Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.

qriosity.ru

Топливные элементы » электрохимические генераторы электроэнергии.

 

Тема: электрохимический генератор электричества — топливный элемент.

 

Топливный элемент (ТЭ) — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество, не используя при этом ряд дополнительных преобразований (тепловое, механическое и прочее, протекающие с большими потерями). У топливных элементов коэффициент полезного действия гораздо выше (может составлять около 90%), по сравнению с традиционными способами выработки электроэнергии.

 

Топливные элементы были открыты еще в 1839 г. известным учёным сэром Вильямом Гровом. При исследовании электролиза воды, отключив от электролитической ванны электрическую батарею, учёный заметил, что электроды вдруг начали активно поглощать выделившийся газ и вырабатывать электрический ток. Это послужило началу последующих исследований данного явления.

 

Топливный элемент является некой аналогией обычных гальванических элементов (по своему основному принципу работы), что преобразуют химическую энергию веществ в электрическую. Но в отличие от батарей, в ТЭ исходные химические вещества для реакции поступают постоянно. И поэтому топливные элементы могут работать довольно долго (до тех пор, пока поступает топливо и окислитель).

 

Причём, основные элементы ТЭ (электролит, электроды, катализатор) не портятся при работе и не содержат в своей системе движущихся частей, что также влияет на общую долговечность, надёжность и простоту эксплуатации. Данные источники электроэнергии являются экологически чистыми системами, что тоже является большим преимуществом.

 

 

Теперь что касается самого устройства и принципа действия топливных элементов: конструкция ТЭ состоит из таких основных частей — это электроды, катализаторы, электролит, проточные каналы для подачи топлива и окислителя, а также каналы для вывода отработанных веществ (воды, избыточных газов и т.д.) и избыточного выделяемого тепла.

 

 

Материалом для электродов может быть специально обработанный кобальт, никель, некоторые группы металла платины, угли. На поверхность данных электродов наносится слой катализатора (элемент, ускоряющий химические реакции), обычно это порошок родия, платины и прочее. При таких электродах удаётся достичь высоких показателей в работе топливного элемента.

 

 

Сами электроды выполняются в виде пористых пластин, между ними находится электролит, а внешние стороны электродов выполнены в виде каналов, по которым пропускается топливо с окислителем и на которых происходит химические реакции в топливном элемент.

 

Центром топливного элемента будет являться протонообменная мембрана (выполняет функцию электролита). Обычно данная мембрана имеет вид пленки из специального полимера, который сочетает в себе гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, что содержат кислотные группы. Если мембрана содержит воду, то она будет собираться вблизи кислотных групп, образовывая гидратную область с размером около 1 нм. Именно в данной области будут образовываться различные формы протона, имеющие возможность свободно перемещаться.

 

Рассмотрим химические реакции, которые идут по следующей схеме: топливо (водород) попадает на анод топливного элемента, на нём его атомы разлагаются на протоны и электроны (h3 = 2e- + 2H+), освободившиеся электроны направляются во внешнюю электрическую цепь (создавая, тем самым, электрический ток), а протоны проходят сквозь электролит (протонообменную мембрану) на катодную сторону. На катоде с протонами водорода соединяются атомы кислорода и электроны (пришедшие из внешней цепи) с образованием воды (4H+ + 4e- + O2 = 2h3O).

 

Продуктами выделения после реакции будет водяной пар и небольшое количество тепла. Напряжение, что появляется при данном процессе на единичном ТЭ, как правило, не превышает 1,1 Вольта. Для получения желаемого напряжения и тока, топливные элементы необходимо объединить в батареи, через последовательное и параллельное соединение. Такие топливные батареи вместе с элементами терморегулирования и газораспределения монтируются в единый блок, который называется — электрохимический генератор.

 

P.S. Топливные элементы или электрохимические генераторы являются одним из лучших вариантов замены нынешних электрогенерирующих систем, работающих за счёт сжигания полезных ископаемых, при этом дающих очень низкий КПД (около 30%) и оказывающее негативное влияние на экологию.

Понравилось?Поставь Плюс »

 

 

 

 

electrohobby.ru

Топливные элементы

Скачать: Топливные 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 à теплота à механическая энергия à 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

Н2О   Анод Катод

(2)  2Н2 + 4ОН- à4Н2О+4е О2 + 2Н2О + 4е à4ОН-   (3)

Суммарная реакция

2Н2 + О2 à 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

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) = -DG,  (7)

где DG=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 Т0DS, 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 = 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

Это уравнение известно как уравнение Гиббса-Гельмгольца. Так как при постоянных р и Т  DG=-Amax и DH=-Qp – тепловому эффекту реакции, происходящей в ТЭ, то уравнение (9) может быть представлено

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 DS>0, E>;

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

в) с поглощением теплоты из внешней среды DS<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 à турбина à 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

hмакс =  (12)

Поскольку энтропия может иметь как положительное, так и отрицательное значение, в принципе hмакс 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 ∆S реакции 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:

h = hмакс  (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

hполн = hмакс hF  (14)

где hF= – коэффициент полезного действия по току.

Коэффициент hF в 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 hF для 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 давлении PB=PC=…=PY=PZ=…=1.

Если учесть, что парциальные давления Pi могут быть выражены на основании закона Дальтона через общее давление P и мольную концентрацию компонента xi, то

Для ЭДС можно записать аналогичные выражения

Поляризация электродов.

Под поляризацией понимают изменение свойств поверхности электродов и прилегающих к ним слоев электролита, вызванное прохождением электрического тока через поверхность. Прохождение тока сопровождается появлением разности потенциалов, противоположной той, которая вызвала электрический ток.

Величина ЭДС поляризации определяется разностью потенциалов электрода под током и без тока.

Обычно различают три вида поляризаций: концентрационную, электрохимическую или активационную и омическую.

Концентрационная поляризация обусловлена тем, что концентрация вещества около электрода при прохождении тока отличается от концентрации веществ в объеме раствора, так как подвод или отвод веществ не успевает за потреблением этих веществ на электроде. Концентрационная поляризация связана с током, протекающим на электроде, уравнением

Толщина диффузионного слоя δ, в котором наблюдается изменение концентрации веществ при реакции его на электроде, на практике принимается равной 10-3см. Для водородно-кислородного ТЭ, например, при увеличении тока потенциал водородного электрода становится более положительным, а потенциал кислородного электрода сдвигается в отрицательную сторону. Разность потенциалов уменьшается, т.е. уменьшается клеммовое напряжение на ТЭ. Это смещение потенциалов или непроизводительная потеря энергии внутри ТЭ вызывается необходимостью ускорить диффузию активных веществ. Мощность, равная произведению концентрационной поляризации на ток, расходуется на выделение теплоты внутри ТЭ.

Величина электрохимической поляризации (перенапряжения) электродной реакции зависит от природы реакции, материала электрода, температуры и плотности тока. Ее наличие можно объяснить тем, что отдельные составляющие общей реакции на данном электроде протекают замедленно и на их активацию затрачивается часть электродного потенциала. 

Омическая поляризация обусловлена омическим сопротивлением электролита и электродов. Омические потери могут возрастать из-за образования окислов и возникновения различных органических пленок на поверхности электродов уменьшением концентрации ионов в зоне реакции.

Практический КПД ТЭ ниже теоретического, т.к. клеммовое напряжение U ниже ЭДС из-за поляризации элемента и омических потерь в элементе:

U=E-∆E-I(r1-r2)  (15)

где Е – ЭДС элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников первого и второго рода внутри элемента; ∆E – поляризация элемента, равная сумме катодной и анодной поляризаций:

∆E=∆εк+∆εа.

В свою очередь катодная (∆εк) и анодная (∆εа) поляризации являются суммой концентрационной и электрохимической поляризаций анода и катода:

∆εк=∆εконц к + ∆εэл к ;;

∆εа=∆εконц а + ∆εэл а .

Для увеличения эффективной работы и эффективного КПД ТЭ необходимо повысить клеммовое напряжение элемента. Из уравнения (15) видно, что это может быть достигнуто снижением поляризации топливного элемента и омических потерь.

Снижение поляризации ТЭ может быть достигнуто при увеличении температуры, перемешивании электролита, при увеличении концентрации или парциального давления веществ, подаваемых к электроду, применением катализаторов, увеличением поверхности электродов. Омическая поляризация элемента может быть снижена увеличением электропроводности электролита и снижением расстояния между электродами. Электропроводность определяется подвижностью и концентрацией ионов. Подвижность ионов и соответственно электропроводность электролитов возрастают с увеличением температуры. Для многих электролитов зависимость электропроводности от температуры выражается уравнением

Вольт-амперная характеристика ТЭ.

Графическое изображение зависимости напряжения ТЭ от силы или плотности тока называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) ТЭ. Типичная ВАХ ТЭ (для водородно-кислородного ТЭ) показана на рисунке 2

Прежде всего следует отметить, практически изменяемое значение ЭДС меньше Е0=1,23 В. В низкотемпературных (до 373 К) ТЭ ЭДС обычно равна 1,05 - 1,1 В. Это объясняется тем, что на кислородном электроде установлению обратимого потенциала препятствуют параллельно протекающие реакции. Только ускорив основную реакцию, например, путем повышения температуры выше 423 К, влияние побочных реакций можно резко уменьшить, и ЭДС тогда приблизится к своему термодинамическому значению. Но повысить температуру не всегда можно, т.к. это связано со своими большими трудностями.

При включении тока возникают омические потери Δeом, прямо пропорциональные плотности тока. При небольшой плотности тока преобладают потери, обусловленные замедленностью электрохимических реакций. При малых токах скорость подачи активных веществ вполне достаточна для поддержания высокой концентрации их возле электродов. Но по мере увеличения плотности тока доля концентрационных потерь возрастает и при очень больших токах наблюдается падение напряжения из-за полного исчерпания активного вещества около какого-либо электрода. Все подходящее к электроду активное вещество (кислород или водород) мгновенно реагирует, и ток достигает своего предельного в данных условиях значения.

Их ВАХ ТЭ нельзя сделать заключение, какая доля потерь попадает на тот или иной электрод. Падение напряжения характеризует только сумму всех потерь, а они распределяются чаще всего неравномерно.

При разработке ТЭ для улучшения его характеристик необходимо знать, какой электрод обуславливает большие потери. С этой целью определяют зависимость потенциалов отдельных электродов от плотности тока, т.е. снимают поляризационные кривые. На рисунке 3 представлены типичные поляризационные кривые водородного и кислородного электродов. Поскольку водородная реакция быстрая, на электроде легко устанавливается равновесный потенциал, и электрохимическая поляризация гораздо меньше, чем для кислородного электрода. Растворимость и коэффициенты диффузии водорода и кислорода близки, поэтому концентрационная поляризация зависит главным образом от устройства электродов. При нормальной работе электродов она в обоих случаях примерно одинакова. По разности между поляризационными кривыми можно вычислить напряжение на элементе, вычтя при этом омические потери в электролите. При нормальной работе водородно-кислородного ТЭ потери напряжения на кислородном электроде обычно в 5-10 раз больше, чем на водородном: скорость ионизации кислорода мала, для ускорения реакции нужен сильный сдвиг потенциала от равновесного значения.

Электроды в ТЭ.

Работа ТЭ во многом зависит от используемых электродов. Не всякий материал пригоден для их изготовления. Ускорить реакции в ТЭ можно только с помощью электродов, обладающих высокими каталитическими свойствами. Электроды должны обладать высокой электронной проводимостью, способностью адсорбировать  и в той или иной степени активировать газ, химической инертностью по отношению к горючему и окислителю (а также электролиту). Материалом для таких электродов могут служить специально обработанные никель, кобальт, металлы группы платины, угли с сильно развитой поверхностью, на которую наносят катализаторы, - мелкодисперсные порошки платины, родия и т.п. На таких электродах уже при температуре 298-398К удается достичь высоких скоростей восстановления кислорода и окисления таких видов топлива, как водород, гидразин (N2h5) и метанол (Ch4OH), при относительно невысоких поляризациях. Оказалось, что некоторые высокоактивные электроды весьма чувствительны к каталитическим ядам, поэтому особенно необходима предварительная очистка топлива.

Различают три типа устройства трехфазной границы (газ – электрод - электролит): газодиффузионный электрод, в который газ «вдавливается» под высоким давлением; гидрофобизированный пористый диффузионный электрод, к которому активный газ подводится под атмосферным давлением; активный газ или газовая смесь находятся в контакте с пористым слоем катализатора, который связан с губкообразным носителем электролита или с твердым электролитом.

Одной из проблем, встречающихся при разработке электродов с газообразными реагентами, является создание трехфазной зоны. Газовый электрод должен контактировать с раствором электролита, но не полностью затопляться последним. Но электрод должен иметь контакт с газообразным реагентом, который не должен поступать в межэлектродное пространство. Решение этой проблемы обычно находят на основе законов капиллярного равновесия. В пористом электроде, в который подается газ, распределение пор между электролитом и газом определяется соотношением давления газа и капиллярного давления жидкости.

Все поры, у которых капиллярное давление равно или больше давления газа, будут затоплены раствором электролита. Поры, у которых капиллярное давление меньше давления газа, будут заняты газом. Для создания границы между газом и электролитом внутри электрода обычно используют электроды с различными размерами пор или различными углами смачивания. Рабочая зона в электроде находится в районе мало- и крупнопористых слоев. Различный угол смачивания электролитом обеспечивается применением гидрофобизации слоя электрода, обращенного к газу. В качестве гидрофобизаторов, т.е. веществ, не смачиваемых раствором электролита, обычно используют фторпласт. Если в качестве электролита применяется капиллярная или ионообменная мембрана, необходимость в двухслойных электродах отпадает, но возникает задача обеспечения хорошего контакта между электродом и электролитом. 

Катализаторы ТЭ.

Для создания совершенных электродов очень важна их каталитическая активность. В частности, для получения обратимого водородного потенциала пригодны только металлы, которые могут хемосорбировать водород. Этой способностью обладают металлы с незаполненным d-уровнем электронной оболочки, следовательно, прежде всего переходные металлы VIII группы.

По каталитической активности окисления водорода в растворе NaOH при температуре 300 К металлы VIII и IA групп можно расположить в следующий ряд:

Au<Ag<Cu<Fe<Co<Ni<Pd<Pt<Ir<Rh<Os<Ru

При обычной температуре на платиновых металлах, в особенности в тонко раздробленной форме (платиновая чернь, палладиевая чернь), обратимый водородный потенциал устанавливается во всей области значений pH, а в щелочных растворах – также на специально обработанном никеле (никель Ренея). При повышенных температурах (323 К) достаточна уже активность простого никеля или железа.

Для всех указанных систем металл-водород общим является кинетическое торможение достижения равновесия при температуре ниже 473 К. Однозначная причина этого заключается в замедленном переходе водорода через металлическую поверхность. Давно известный способ улучшения заключается в покрытии поверхности компактного палладиевого образца палладиевой чернью, которая ускоряет поглощение водорода. Электрохимическое поведение кислорода в водных растворах на электродах из платины, серебра или угле значительно сложнее, чем других газов, например, водорода. Потенциал покоя кислородного электрода во всей области значений pH устанавливается очень медленно и плохо воспроизводим. Как правило, он устанавливается более чем на 100мВ ниже теоретического кислородного потенциала. Причина такого поведения заключается в большой энергии связи кислородной молекулы. Разрушить молекулярную связь при температуре 323 К удается лишь окольным путем через образования перекиси водорода Н2О2. Протекание реакции еще больше усложняется из-за появления радикалов НО2- и ОН-. Катализаторы для выделения и восстановления кислорода изучены еще не так основательно, как соответствующие катализаторы для водорода. Во всей области рН пригодны металлы платиновой группы и хром. В щелочах оказываются пригодными наряду с серебром и различными сортами угля также железо, кобальт и никель. Использование серебра и платины объясняется хорошими каталитическими свойствами этих металлов в отношении разложения перекиси водорода. 

По каталитической активности восстановления кислорода предлагают следующую последовательность:

графит<Cu<Fe<Pt<Ag<уголь<Ni

Металл-катализатор целесообразно использовать нанесенным в тонкодисперсном виде на какой-нибудь пористый носитель (например, уголь).

В высокотемпературных ТЭ для окисления СО применяется двухскелетный электрод на основе вольфрама или молибдена. В ТЭ с расплавленными электролитами материалами для электродов служат металлы семейства железа и платиновой группы, серебро, окись цинка, окись меди, смесь окиси никеля и лития.

Для кислородного электрода высокотемпературных ТЭ можно использовать жаростойкие материалы: никель, окись никеля, содержащая 1-2% лития, нержавеющая сталь и серебро.

К катализатору предъявляются следующие основные требования: слабая адсорбция реагента; низкая энергия активации, следствием чего является высокая плотность тока обмена; большая удельная поверхность, т.е. малый размер частиц; электронная проводимость; коррозионная стойкость; малый расход катализатора для обеспечения низкой стоимости при высокой эффективности.

Для катализаторного материала большинство из этих материалов являются и частично противоречивыми.

Электрохимические генераторы.

Проблема создания ТЭ достаточно сложна. Кроме создания ТЭ имеются определенные инженерные задачи разработки всей энергетической установки. ЭДС одного элемента недостаточна для питания энергией тех или иных устройств, поэтому несколько элементов соединяются друг с другом, образуя батарею элементов. Для обеспечения непрерывной работы батареи элементов необходимы устройства для хранения и подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции из элемента.

Система, состоящая из батареи топливных элементов, устройств для хранения и подвода топлива и окислителя, вывода из элементов продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры и напряжения, получила название электрохимического генератора или ЭХГ.

Поскольку ЭХГ могут вырабатывать энергию по мере подвода окислителя и восстановителя, необходимо иметь систему подачи реагентов. Топливо и окислитель перед поступлением в батарею ТЭ могут подвергаться обработке, включающей очистку, превращение в электрохимически активные реагенты и т. п.

В результате электрохимических процессов в ТЭ образуются продукты реакции, которые могут изменять состав электролита, влиять на активность электродов, разбавлять реагенты в электродных камерах. Для обеспечения стабильной работы элемента необходима непрерывная система отвода реагентов, которая может включать систему контроля состава электролита или характеристик элементов, на которые влияют продукты реакции. Система отвода продуктов реакции может изменяться в зависимости от типа элементов и вида продуктов реакции. Система отвода продуктов реакции может изменяться в зависимости от типа элементов и вида продуктов реакции. Т.к. ηполн ТЭ ниже 1, то при его работе выделяется теплота, которую необходимо отводить. Количество теплоты, выделяемой в ТЭ, растет с увеличением силы тока, и соответственно система отвода теплоты должна обеспечивать изменение скорости отвода теплоты с изменением силы тока элемента. Отвод теплоты из батареи элементов может быть осуществлен различными способами (циркуляцией электролита, циркуляцией реагента и т. д.) и решается применительно к типу ЭХГ.

Наиболее разработаны водородно-кислородные и гидразиновые ЭХГ. 

Классификация ТЭ.

В связи с большим разнообразием ТЭ пока нет их единой классификации. Можно классифицировать ТЭ по различным признакам: по принципу использования реагентов; по виду топлива и окислителя; по условиям работы ТЭ (температура и давление).

По принципу использования реагентов ТЭ подразделяют на первичные и вторичные. В первичных элементах топливо и окислитель вводятся непосредственно в ТЭ и превращаются в продукты реакции, которые затем выводятся из ТЭ. Во вторичные ТЭ вводятся не исходные ТЭ, а продукты их переработки, например водород, полученный при конверсии метана. Ко вторичным ТЭ относятся и регенеративные. В регенеративных ТЭ продукты реакции подвергаются регенерации на восстановитель и окислитель, которые затем снова направляются в ТЭ.

Название элементы получают обычно по виду окислителя или восстановителя, например водородно-кислородные, воздушно-метанольные, перекисно-водородно-гидразиновые.

По рабочей температуре ТЭ классифицируются на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

Рабочая температура элемента выбирается в зависимости от свойств выбранного электролита. К электролиту предъявляют следующие требования: высокая ионная проводимость; отсутствие электронной проводимости; химическая стойкость; наличие водород- или кислородсодержащих ионов.

В соответствии с этими требованиями принято следующее деление ТЭ по электролиту: элементы с кислотой, щелочью, расплавленными карбонатами и твердыми окислами.

Наибольшее распространение получили низкотемпературные (рабочая температура ниже 423 К) ТЭ с жидким электролитом. В качестве электролита используются концентрированные растворы кислот и щелочей. Топливом в низкотемпературных ТЭ обычно служит водород, окислителем – кислород или воздух.

В щелочных электролитах, как правило, предпочитают применять гидроокись калия, а не натрия. Это вызвано меньшей эффективностью кислородных электродов в растворах NaOH по крайней мере при обычных условиях работы и более низкой удельной проводимости раствора NaOH. В кислых электролитах проблема коррозии металлов более острая, чем в щелочных электролитах. Имеется мало материалов, стойких к агрессивному действию этих кислот в сильной окислительной среде на кислородном электроде. Помимо газообразных реагентов в низкотемпературных ТЭ применяется жидкое топливо (гидразин, спирт) и окислитель (перекись водорода). Жидкий электролит находится в свободном состоянии либо пропитывает поры мелкопористого электролитоносителя, обычно изготовленного из асбеста. В этом случае электролит удерживается в неэлектропроводящей пористой матрице капиллярными силами. Основные требования к матрице: высокая пористость и малый размер пор, хорошая смачиваемость электролитом, достаточная механическая прочность, способность выдерживать соответствующие интервалы температур, высокое удельное электрическое сопротивление, химическая инертность по отношению к электролиту. Функции переноса ионов (ОН-, Н+) при работе низкотемпературного ТЭ могут быть осуществлены при помощи твердого электролита – ионообменных мембран. Применение электролитоносителей и ионообменных мембран позволяет существенно упростить конструкцию ТЭ и повысить их удельные массогабаритные характеристики. Однако в подобных системах возникают серьезные трудности, связанные с обеспечением материального баланса при длительной работе.

В низкотемпературных ТЭ для активации электродов используют катализаторы и дефицитные материалы. При увеличении рабочих температур возможно значительное снижение необходимого количества катализатора, а также применение для активации менее дефицитных материалов.

В низкотемпературных элементах не удается использовать природные вида топлива: нефть и продукты ее переработки, уголь и природный газ (метан) из-за высокой поляризации. Проблема использования этих видов топлива решается по двум направлениям: путем применения высокотемпературных элементов и путем предварительной химической обработки топлива с целью получения электрохимически активных веществ.

Для развития современных представлений о работе ТЭ большое значение имели исследования Ф. Бэкона в области среднетемпературных (423-523 К) водородно-кислородных –щелочных систем. Однако в настоящее время работы в этом направлении практически прекращены из-за сложных коррозионных и конструктивных проблем  и сравнительно низких удельных характеристик среднетемпературных ЭХГ. В то же время продолжаются интенсивные исследования среднетемпературных ТЭ с кислым электролитом (серная, фосфорная кислоты), поскольку в них отсутствует проблема карбонизации электролита и могут быть использованы конвертированные водород и кислород воздуха.

Принципиальным преимуществом высокотемпературных ТЭ (рабочая температура более 573 К) является возможность окисления в них с приемлемыми скоростями дешевого топлива (углеводородов, спиртов, аммиака и т. п.) и кислорода воздуха. В качестве электролита в таких ТЭ используются расплавы карбонатов, а также смесь окислов циркония, кальция и иттрия в твердом состоянии. К сожалению, эти системы пока не поддаются технической реализации из-за высоких скоростей коррозии, трудностей с подбором материалов для изготовления электродов, конструктивных узлов, созданием электролита со стабильными характеристиками, отсутствия способа соединения твердых деталей, испытывающих термическое расширение.

Выбор топлива (восстановителя) и окислителя для ТЭ определяется типом и назначением ТЭ и предъявляемыми к нему требованиями. ЭДС, удельная мощность и энергия ТЭ возрастает с увеличением потенциала окислителя в сторону положительных значений и потенциала восстановителя в сторону отрицательных значений. Удельная энергия ТЭ возрастает с увеличением удельной емкости (количества энергии, высвобождаемой при электрохимическом превращении единицы массы вещества) окислителя и восстановителя. Удельная мощность ТЭ в значительной степени зависит от электрохимической активности восстановителя и окислителя, т. е. скоростей их электрохимического превращения на электродах. Целесообразность использования того или иного реагента в ТЭ также зависит от стоимости и доступности этого реагента.

При разработке электродов для различных типов ТЭ необходимо учитывать особенности их эксплуатации. Как уже отмечалось, электродные процессы при работе ТЭ включают: диффузию реагирующих частиц к месту реакции; адсорбцию реагирующих частиц; электронный переход; промежуточные химические реакции; отвод продуктов реакции. Помимо обеспечения эффективного протекания всех упомянутых стадий электрод должен быть стабильным при длительной работе и хранении, обладать механическими свойствами, позволяющими использовать его в соответствующей конструкции.

Другие типы ТЭ.

Могут быть использованы и твердые электролиты – вещества, обладающие ионной проводимостью, имеющие ионное строение. Перемещение ионов в них происходит из-за имеющихся в кристалле участков с минимумом потенциальной энергии (потенциальных ям), куда могут попадать колеблющиеся около своих положений равновесия ионы. В освободившийся узел кристаллической решетки (дефект) может перейти другой ион, соответственно ион передвинется на его место. С ростом температуры вероятность перехода ионов и дефектов в кристаллической решетке растет. При наложении электрического поля хаотическое движение ионов и дефектов принимает направленный характер: ионы и дефекты движутся в разных направлениях.

Электролиты в таких ТЭ обладают приемлемой электрической проводимостью лишь при 1200 К и выше, поэтому ТЭ с твердыми электролитами работают обычно при 1200-1300 К. В высокотемпературном ТЭ в качестве горючего может применяться не только водород, но и углеводороды, например метан или пропан.

Эффективное применение ТЭ.

В настоящее время принципиально доказана возможность непосредственного превращения некоторых видов топлива в ТЭ и их химической энергии в электрическую с практическим КПД до 75-90%. Но возникает обратная задача: окисляя на аноде какое – либо органическое вещество, например тот же углеводород или неорганические соединения, получать не только электроэнергию во внешней цепи, но и продукт, представляющий самостоятельную ценность. Таким путем можно получать различные органические и неорганические соединения не только без затрат электрической энергии, но даже с попутным получением ее. О принципиальной возможности решения этой проблемы свидетельствует простейший пример работы ТЭ на основе водорода и кислорода. При работе такого элемента, как мы видели, продуктом реакции, в результате которых во внешней цепи ТЭ образуется электрический ток, является вода. В некоторых случаях, например в условиях космических полетов, этот процесс может оказаться исключительно полезным, так как наряду с электрической энергией, необходимой для питания систем корабля, можно непрерывно получать пригодную для питья воду. Исследования топливных элементов системы «Джеминай» в США, предназначенных для космических кораблей, показали, что при мощности элемента 2 квт будет образовываться 0,453 кг воды на 1 квт×ч выработанной электроэнергии.

В топливном элементе одновременно с электроэнергией можно получить и ряд ценных органических соединений. Например, если взять два пористых угольных сосуда, погрузить их в крепкий раствор щелочи и затем через поры одного из этих сосудов пропускать воздух, а другого – изопропиловый спирт, то спирт будет окисляться до ацетона (когда угольные сосуды короткозамкнуты). Чтобы окисление спирта на аноде подобного ТЭ протекало с большей скоростью, на пористый угольный сосуд предварительно наносят катализатор (порошкообразные родий и платину), а температуру раствора поддерживают около 70оС. В таком топливном элементе спирт «сгорает» до ацетона с выходом около 100%, а во внешней цепи элемента течет ток силой 0,35-0,5А.

Для получения в топливном элементе кетонов можно использовать более простое и дешевое сырье – углеводороды.

Топливные элементы имеют важные достоинства, обеспечивающие им широкую перспективу использования. По сравнению с гальваническими элементами топливные элементы имеют более высокие мощности и энергии, приходящиеся на единицу веса.

Отсутствие движущихся частей и, соответственно, бесшумность, а также компактность топливных элементов обеспечивают им широкую перспективу применения в военной технике и подводном флоте.

Список использованной литературы.

Э.Э. Шпильрайн, А.П. Севастьянов «Электрохимические генераторы и фотоэлектрические преобразователи». Москва 1985г.

Н.В. Коровин, Э.Л. Филиппов «Электрохимические процессы». Москва 1973г.

А.И. Левин «Теоретические основы электрохимии». Издательство «Металлургия» Москва 1972г.

Н.П. Федотьев, А.Ф. Алабышев «Прикладная электрохимия». Издательство «Химия» Ленинградское отделение 1967г.

  © Реферат плюс

referatplus.ru


Смотрите также

  • Принцип работы топливных элементов
  • 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