Топливный элемент принцип работы

Топливный элемент на водороде: описание, характеристики, принцип работы, фото

Топливный элемент на водороде: описание, характеристики, принцип работы, фото - фото 1 - изображение 1

Топливный элемент - устройство, эффективно вырабатывающее тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использующее богатое водородом топливо. По принципу работы он схож с батареей. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Чем он примечателен? В отличие от тех же батарей, топливные элементы на водороде не накапливают электрическую энергию, не нуждаются в электричестве для повторной зарядки и не разряжаются. Выработка электроэнергии ячейками продолжается до тех пор, пока у них имеется запас воздуха и топлива.

Особенности

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

Особенности - фотография 2 - изображение 2

История появления

В 1950-1960-х годах возникшая потребность NASA в источниках энергии для длительных космических миссий спровоцировала одну из наиболее ответственных задач для существовавших на тот момент топливных элементов. Щелочные элементы используют в качестве топлива кислород и водород, которые в ходе электрохимической реакции преобразуются в побочные продукты, полезные во время космического полета - электричество, воду и тепло.

Топливные элементы впервые были открыты в начале XIX века - в 1838 году. В это же время появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами, использующими щелочные электролиты, началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами под высоким давлением были изобретены только к 1939 году. Во время Второй Мировой войны для британских подлодок разрабатывались топливные элементы, состоящие из щелочных ячеек диаметром около 25 сантиметров.

Интерес к ним возрос в 1950-80-х годах, характеризующихся нехваткой нефтяного топлива. Страны мира начали заниматься вопросами загрязнения воздуха и окружающей среды, стремясь разработать экологически безопасные способы получения электроэнергии. Технология производства топливных ячеек на сегодняшний день переживает активное развитие.

История появления - фото 3 - изображение 3

Принцип работы

Тепло и электроэнергия вырабатываются топливным ячейками в результате электрохимической реакции, проходящей с использованием катода, анода и электролита.

Катод и анод разделены проводящим протоны электролитом. После поступления кислорода на катод и водорода на анод запускается химическая реакция, результатом которой становятся тепло, ток и вода.

Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, что приводит к потере им электронов. Ионы водорода поступают к катоду через электролит, одновременно электроны проходят по внешней электрической сети и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Принцип работы - фотография 4 - изображение 4

Типы

Выбор конкретного вида топливной ячейки зависит от области ее применения. Все топливные элементы подразделяются на две основные категории - высокотемпературные и низкотемпературные. Вторые в качестве топлива используют чистый водород. Подобные устройства, как правило, требуют переработки первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется с использованием специального оборудования.

Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в подобном, поскольку они преобразуют топливо при повышенных температурах, что исключает необходимость создания водородной инфраструктуры.

Принцип работы топливных элементов на водороде основан на превращении химической энергии в электрическую без малоэффективных процессов горения и трансформации тепловой энергии в механическую.

Типы - фотография 5 - изображение 5

Общие понятия

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива. Различают несколько типов подобных приборов. Наиболее перспективной технологией считаются водород-воздушные топливные элементы, оснащенные протонообменной мембранной PEMFC.

Протонпроводящая полимерная мембрана предназначена для разделения двух электродов - катода и анода. Каждый из них представлен угольной матрицей с нанесенным на нее катализатором. Молекулярный водород диссоциирует на катализаторе анода, отдавая электроны. Катионы проводятся к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для передачи электронов.

Молекула кислорода на катализаторе катода объединяется с электроном из электрической цепи и поступившим протоном, образуя в итоге воду, являющуюся единственным продуктом реакции.

Топливные элементы на водороде используются для изготовления мембранно-электродных блоков, которые выступают в качестве основных генерирующих элементов энергетической системы.

Общие понятия - фотография 6 - изображение 6

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

  • Повышенная удельная теплоемкость.
  • Широкий температурный диапазон эксплуатации.
  • Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.
  • Надежность при холодном запуске.
  • Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.
  • Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.
  • Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Бесшумность и экологичность работы.
  • Высокий уровень энергоемкости.
  • Толерантность к сторонним примесям в водороде.

Преимущества водородных топливных ячеек - изображение 7 - изображение 7

Область применения

Благодаря высокому КПД топливные элементы на водороде применяются в различных областях:

  • Портативные зарядные устройства.
  • Энергоснабжающие системы для БПЛА.
  • Источники бесперебойного питания.
  • Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Повсеместное использование топливных элементов на перекиси водорода будет возможно только после создания эффективного способа получения водорода. Для введения технологии в активное использование требуются новые идеи, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологии. Некоторые компании сравнительно недавно выпустили эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с чем появились сведения о создании топливных ячеек без мембран, что позволило значительно удешевить производство и упростить конструкцию подобных устройств. Преимущества и характеристики топливных элементов на водороде не перевешивают их основного недостатка - высокой стоимости, особенно в сравнении с углеводородными устройствами. На создание одной водородной энергоустановки требуется минимум 500 тысяч долларов.

Область применения - фото 8 - изображение 8

Как собрать топливный элемент на водороде?

Топливную ячейку небольшой мощности можно создать самостоятельно в условиях обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов используется старый противогаз, куски оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочь.

Корпус топливного элемента на водороде своими руками создается из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть меньшей толщины - порядка 3 миллиметров. Оргстекло склеивается специальным клеем, изготавливаемым из хлороформа либо дихлорэтана и стружки из оргстекла. Все работы производятся только при работающей вытяжке.

В наружной стенке корпуса просверливается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и сливная стеклянная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второе и четвертое отделение корпуса топливного элемента - он будет использоваться в качестве электрода.

Циркуляция топлива будет осуществляться в первой камере, в то время как пятая заполняется воздухом, из которого будет поставляться кислород. Электролит, засыпающийся между электродами, пропитывается раствором парафина и бензина во избежание его попадания в воздушную камеру. На слой угля кладутся медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

Собранный топливный элемент на водороде заряжается водкой, разбавленной водой в соотношении 1:1. В полученную смесь аккуратно добавляется едкий калий: в 200 граммах воды растворяется 70 граммов калия.

Перед испытанием топливного элемента на водороде в первую камеру заливается топливо, в третью - электролит. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны варьироваться от 0,7 до 0,9 вольт. Для обеспечения непрерывной работы элемента отработанное топливо должно отводиться, а через резиновую трубку - заливаться новое. Сжиманием трубки регулируется скорость подачи топлива. Подобные топливные элементы на водороде, собранные в домашних условиях, обладают небольшой мощностью.

Топливный элемент – что это такое и как работает?

Перспективы водородной энергетики - фото 9 - изображение 9

Топливный элемент (Fuel Cell) — преобразователь химической потенциальной энергии (энергии молекулярных связей) в энергию электричества. Устройство содержит рабочую ячейку, где топливом выступает газообразный водород (H2) и кислород (O2). Продуктами реакции, происходящей внутри ячейки, являются вода, электричество и тепло. Технологически топливные элементы следует рассматривать более совершенными системами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями сжигания угля и даже атомными электростанциями, работа которых сопровождается выбросом вредных побочных продуктов.

Особенности уникальной технологии

Поскольку кислород  в большом количестве присутствует в атмосфере, остаётся только добавить к топливному элементу водород. Это вещество достаточно легко получить процессом электролиза в одноимённом аппарате, именуемом — электролизёр.

Что такое электролизёр и как работает?

Электрохимическое устройство, где для разделения молекул на составляющие атомы используется электрический ток. Электролизёры широко используются под разделение воды на водород и кислород.

Методика электролиза является наиболее перспективным способом производства водорода очень высокой чистоты (99,999%) благодаря высокой эффективности и быстрому динамическому отклику по сравнению с некоторыми другими методами.

Водород, полученный электролизом, качественно чист и потому удачно подходит для применения в топливном элементе.

Какие разработаны конструкции электролизёров?

Подобно топливным элементам, электролизёры построены на основе двух электродов и размещённого между электродами ионопроводящего электролита. Такие аппараты различаются по типу используемого электролита.

Как собрать топливный элемент на водороде? - фотография 10 - изображение 10

Структурная схема электролизёра и внешний вид одного из промышленных вариантов: 1 – слой катализатора; 2 – диффузионный слой газа; 3 – биполярная пластина; 4 – протонообменная мембрана; 5 — уплотнение

Разработаны несколько различных типов электролизёров, уже используемых на практике либо находящихся на стадии внедрения. Двумя наиболее распространёнными типами электролизёров, производящих водород, являются:

  1. Щелочной электролизёр.
  2. Мембранный электролизёр.

Щелочной электролизёр

Этот вид устройства работает на жидком каустическом электролите (обычно 30% KOH). Щелочные электролизёры строятся на недорогих металлах (никель), выступающих в качестве катализатора и обладают достаточно надежной структурой.

Щелочные электролизеры производят водород чистотой 99,8%, функционируют при относительно низкой температуре и показывают высокий уровень производительности. Рабочее давление в установках может достигать 30 АТИ. При работе поддерживается низкая плотность тока.

Протонообменный мембранный (ПОМ) электролизер

Здесь основой выступает твёрдая полимерная мембрана. Устройство быстро набирает популярность по следующим причинам:

  • поскольку электролизёры ПОМ не имеют коррозионных электролитов, конструкции практически не подвержены утечке. Затраты на обслуживание существенно сокращаются;
  • дополнительное оборудование для удаления из водорода следов КОН не требуется.
  • работа при более высоких давлениях и высоких плотностях тока по сравнению с щелочными установками.

Устройство топливной ячейки

Четыре основных элемента топливной ячейки, оснащённой ПОМ:

  1. Анод.
  2. Катод.
  3. Электролит.
  4. Катализатор.

Анод, отрицательный электрод топливного элемента, имеет несколько рабочих точек. Анод проводит электроны, высвобождаемые из молекул водорода, подходящие для внешней электрической цепи. Тело анода имеет вытравленные каналы для равномерного распределения водородного газа в катализаторе.

Катод, положительный электрод топливного элемента, также имеет вытравленные каналы, благодаря которым распределяется кислород в катализаторе. Роль катода — проводка электронов от внешней электрической цепи в сторону катализатора.

В катализаторе электроны контактируют с ионами водорода и кислородом, а результатом контакта является образование воды.

Топливный элемент – что это такое и как работает? - фотография 11 - изображение 11

Структурная схема функционирования топливной ячейки: 1 – линия ввода водорода; 2 – линия ввода кислорода; 3 – линия вывода воды; 4 – движение электронов; 5 – выделение тепла

Электролит является протонообменной мембраной. Этот специально обработанный материал, напоминающий внешне обычную пластиковую панель, с той лишь разницей, что такая панель способна проводить положительно заряженные ионы.

Мембраной же электроны блокируются. Для топливного элемента с ПОМ,  мембрану необходимо обезвоживать, чтобы функциональность оставалась стабильной.

Катализатор представляет собой специальное устройство, усиливающее реакцию кислорода и водорода. Обычно катализатор изготавливается на основе платины, тонким слоем наносимой на углеродную бумагу или углеродное волокно.

Катализатор содержит пористую структуру, поэтому площадь поверхности платины максимально подвергается воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора, покрытая платиной, обращена к ПОМ.

Как работает ячейка топливного элемента?

Своеобразным «сердцем» ячейки топливного элемента является протонообменая мембрана (ПОМ). Этот компонент позволяет протонам проходить практически беспрепятственно, но электроны блокирует.

Таким образом, когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.

Соответственно, по пути электроны выполняют полезную работу:

  • зажигают электрическую лампу,
  • вращают вал электродвигателя,
  • заряжают аккумуляторную батарею и т.д.

Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.

Особенности уникальной технологии - изображение 12 - изображение 12

Полноценная система из нескольких топливных ячеек: 1 – газовый ресивер; 2 – радиатор охлаждения с вентилятором; 3 – компрессор; 4 – опорный фундамент; 5 – топливный элемент в сборе из нескольких ячеек; 6 – модуль промежуточного хранилища

Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.

Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:

  • управление топливом, водой и воздухом,
  • холодильное оборудование,
  • программное обеспечение для управления хладагентом.

Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.

По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.

Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.

Очевидные преимущества технологии

Преобразуя химическую потенциальную энергию непосредственно в электрическую энергию, топливные элементы исключают образование «тепловых узких мест» (2-й закон термодинамики).

Следовательно, по своей природе эта технология видится более эффективной по сравнению с привычными двигателями внутреннего сгорания.

Так, схема ДВС изначально преобразует химическую потенциальную энергию в тепло, и только затем получается механическая работа.

Прямые выбросы топливных элементов — это простая вода и некоторое количество тепла. Здесь отмечается существенное улучшение по сравнению с теми же двигателями внутреннего сгорания, выделяющими, кроме всего прочего, ещё и парниковые газы.

Топливные элементы характерны отсутствием движущихся частей. Подобные конструкции всегда отличались повышенной надёжностью по отношению к традиционным двигателям.

Водород производится экологически безопасным способом, в то время как добыча и переработка нефтепродуктов являются очень опасными с точки зрения технологического производства.

Существующий тип топливных элементов?

Подобно аккумуляторным батареям и прочим электрохимическим продуктам, топливные элементы, помимо двух рабочих электродов, содержат электролит.

Существующие на текущий момент времени топливные элементы в первую очередь отличаются типом используемого электролита.

Ниже перечисляются наиболее распространенные топливные элементы, которые можно встретить на коммерческом рынке:

  • ПОМ (протонообменная мембрана) — PEM;
  • ПОМТЭ (топливный элемент с полимерной мембраной) — PEMFC;
  • ТОТЭ (твёрдооксидный топливный элемент) — SOFC;
  • РКТЭ (топливный элемент на расплавленном карбонате) — MCFC;
  • ЩТЭ (щелочной топливный элемент) — AFC;
  • ФКТЭ (топливный элемент на фосфорной кислоте) — PAFC;
  • ПМТЭ (топливный элемент прямого метанола) – DMFC.

Где найдут применение топливные элементы?

Большая и малая мощность резервного копирования для центров обработки данных, больниц, телекоммуникационных башен, банков, предприятий, промышленных зданий;

Стационарная мощность, например, комбинированная тепловая и тепловая энергия для домов или предприятий (ТЭЦ) и систем бесперебойного питания (ИБП);

Переносимое производство энергии для военных, промышленных предприятий или развлечений, таких как камеры и оборудование для наблюдения, ноутбуки, принтеры, смартфоны;

Транспортные средства, автомобили, автобусы, самолеты, подводные и надводные лодки, мотоциклы и велосипеды, вилочные погрузчики и т.п.

При помощи информации: Hydrogenics

Контент: Топливный элемент – что это такое и как работает? изначально появился на Zetsila.

Автомобили на топливных элементах

Устройство топливной ячейки - фотография 13 - изображение 13

Подобно электрическим автомобилям, авто на топливных элементах обходится без двигателя внутреннего сгорания  вообще.

Где найдут применение топливные элементы? - фото 14 - изображение 14

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, которые преобразуют энергию, запасенную в химической формуле непосредственно в электрическую энергию, воду и тепло.

Как работают автомобили на топливных элементах?

Основополагающим принципом этого источника энергии является  электрохимическая реакция используемая для производства электроэнергии. Как и в случае с электрическими ячейками, топливные элементы не ограничены законами термодинамики. Это означает, что они способны достичь более высокой эффективности преобразования энергии, чем обычные двигатели, которые имеют КПД  20% – 25% энергии топлива, но могут достичь до 60%. Однако в отличие от электрической батареи,  реактивы должны поставляться постоянно для выработки электрического тока.

Топливный элемент использует водород подаваемый извне для выработки электроэнергии.

Состоит из двух электродов:  анод и катод, изготовленные из угольной пластины покрытой платиной. На аноде поданный водород распадается с потерей электрона, на катоде поданный кислород соединяется с пришедшим протоном.

Основным преимуществом водородных двигателей является их способность работать при относительно низких температурах (что сокращает время запуска). Ячейки изготовлены из графита покрытого канавками, которые позволяют легко проходить реагентам при сохранении электрического контакта с электролитом.

Топливный элемент образовывает ионы водорода имеющие высокое содержание энергии. Однако низкая плотность водорода представляет технические трудности проектирования систем хранения водорода на машине. При комнатной температуре и обычном давлении для хранения эквивалентного количества энергии, содержащегося  в типичном бензобаке потребуется бак с водородом объемом более чем в  800 раз больше обычного бака.

Однако были разработаны три основных решения для хранения водорода:

  • сжатие – газ хранится в баллонах при атмосферном давлении до 7000 раз;
  • криогенные системы – это сохранить газ при низкой температуре, необходимой для сжижения водорода (-253 C);
  • металл гидриды – специальные металлические сплавы поглощающие водород под давлением.

Один из подходов, который позволяет избежать проблемы хранения водорода в машине  является генерация газа по требованию.

Как заправлять автомобиль топливным элементом

Известно, что топливо для машины возможно бензин, метанол, водород, газохол и т.п. Все они заполняются  обычным способом. Метод заправки топливных элементов машины отличается.

Заправка водородом становится очень дорогим процессом. Хотя до сих пор разрабатывается водородная газовая заправка, все они предполагают использование гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который создает запечатанную систему.

Автомобили на топливных элементах - фотография 15 - изображение 15

Учитывая новизну водородных автомобилей, есть еще сравнительно мало станций заправок водородом во всем мире. Однако с появлением  машин на новом принципе  растет количество станций. В результате все больше и больше водорода строятся в городах по всей Европе, уже включая Амстердам, Барселона, Гамбург, Лондон, Люксембург, Мадрид, Порто, Рейкьявик, Стокгольм и Штутгарт.

Автомобили на новом принципе лучше для окружающей среды

Если используется не возобновляемые источники энергии, воздействие на выбросы трудно подсчитать, в зависимости от способа хранения бортового топлива и производства топлива. Однако учитывая основные варианты  учета  диоксида углерода и выбросов метана, автомобили на топливных элементах прогнозируются со значительным снижением в жизненном цикле выбросов парниковых газов – до 55% по сравнению с бензином.

Автомобили на новом принципе значительно более энергоэффективны, чем обычные транспортные средства. Также рекуперативное торможение повышает эффективность использования топлива до 20%. Если возобновляемые источники энергии используются для генерации водорода, жизненный цикл выбросов парниковых газов практически равен нулю за исключением водяного пара.  Это истинный автомобиль с нулевым уровнем выбросов.

Стоимость топливных элементов автомобиля?

При  промышленном производстве пока нельзя спрогнозировать с уверенностью, сколько будут стоить топливные элементы, но вполне вероятно, что они будут стоить значительно дороже, чем эквивалент бензина или дизельного топлива. Однако цена будет падать, если будет производиться достаточное количество автомобилей на топливных элементах.

Прогнозирование эксплуатационных расходов трудно из-за неопределенности в отношении способа производства и спроса на водородное топливо. По крайней мере в принципе, более высокие расходы на покупку могут компенсироваться более низким расходом на топливо (из-за высокой топливной экономичности автомобилей на новом принципе). Расходы на обслуживание, техническое обслуживание и ремонт топливных элементов остаются неизвестными, но предполагаются чуть меньше, чем для обычных автомобилей из-за низкого количества движущихся частей в  элементах двигателя.

Кроме того авто на новых принципах уменьшит проблемы мегаполиса.

 

Водородные топливные элементы увеличенной энергоемкости принцип работы своими руками купить цена на автомобили устройство

Как работают автомобили на топливных элементах? - фото 16 - изображение 16

 

 

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.

 

Описание

Преимущества

Применение

 

Описание:

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую. Водородный топливный элемент – это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Водород-воздушный топливный элемент с протон-обменной мембраной (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов.

Как заправлять автомобиль топливным элементом - изображение 17 - изображение 17

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

Стоимость топливных элементов автомобиля? - фотография 18 - изображение 18

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

 

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0С / +40 0С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

 

Применение:

системы энергоснабжения для БПЛА,

портативные зарядные устройства,

источники бесперебойного питания,

другие устройства.

 

водородный топливный элемент водородный топливный элемент купить водородно воздушные топливные элементы водородные топливные элементы автомобилей кислородно водородный топливный элемент водородный топливный элемент своими руками работа водородного топливного элемента водородная энергетика топливные элементы принцип работы водородного топливного элемента водородные топливные элементы принцип работы и устройство топливные водородные элементы ячейки водородный топливный элемент цена моделирование водородного топливного элемента водородно воздушные топливные элементы купить водородные топливные элементы развитие

 

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Водородные топливные элементы увеличенной энергоемкости принцип работы своими руками купить цена на автомобили устройство - изображение 19 - изображение 19

Сэр Уильям Грове знал много об электролизе, поэтому он выдвинул гипотезу, что путем процесса (который расщепляет воду на составляющие водород и кислород путем проведения электричества через нее) он может производить электричество, если провести его в обратном порядке. После расчётов на бумаге, он подошел к экспериментальной стадии и сумел доказать свои идеи. Доказанную гипотезу развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, усовершенствовали технологию и еще в 1889 году дали ей название в которые входили два слова- "топливный элемент".

Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход автомобилистов. Вы безусловно слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору все чаще мелькают новомодные слова. Обычно они относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или программах развития этих гибридных автомобилей.

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях - фото 20 - изображение 20

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Например, еще 11 лет назад в США была запущена программа "The Hydrogen Fuel Initiative". Программа была направлена ​​на разработку водородных топливных элементов и технологий инфраструктуры, необходимых для того, чтобы сделать транспортные средства использующие топливные элементы практичными и экономически продуманными, рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на программу было выделено более 1 млрд. долларов, что говорит о серьезной ставке, которую сделали власти Штатов на развитие экологически дружелюбных технологий.

По другую сторону океана производители автомобилей также не дремали, начинали или продолжали проводить свои изыскания на тему машин с топливными элементами. Honda, Toyota, Mercedes-Benz и даже Hyundai продолжал работать над созданием надежной технологии топливных элементов.

Наибольшего успеха на данном поприще среди всех мировых автопроизводителей добились две японских автопроизводителя, Toyota и Honda. Их модели на топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время их конкуренты следует прямо за ними.

Поэтому, топливные элементы в автомобильной индустрии- это надолго. Рассмотрим принципы работы технологии и ее применение в современных автомобилях.

Принцип работы топливного элемента

Принцип работы топливного элемента - фотография 21 - изображение 21

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

В сущности, топливный элемент представляет собой двигатель без движущихся частей. С технической точки зрения определить топливный элемент можно как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, постоянный ток.

Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, другие проходят исследовательские тесты. В большинстве из них используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования.

Аналогичная процедура происходит в обычной батарее, отличие только в том, что батарея уже имеет все необходимые химические вещества, требуемые для преобразования "на борту", в то время как топливный элемент может быть "заряжаться" от внешнего источника, благодаря чему процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом процедуры является выделяемое тепло.

Применение в автомобилях - фото 22 - изображение 22

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной 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).

wikipedia.org

Применение в автомобилях

Из всех типов топливных элементов, по- видимому наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах стали топливные элементы на основе протонообменных мембран или как их называют на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что у него не потребуется много времени для того чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе используется также одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.

Смотрите также: Виды аккумуляторов, их преимущества и слабые стороны

Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда Mercedes-Benz представил прототип MB100 созданный на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт), самый большой недостаток этой концепции заключалась в том, что топливный элемент занимал весь объем грузового отсека фургона.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ - фотография 23 - изображение 23

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была ужасная идея для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту массивного резервуара, заполненного легковоспламеняющимся водородом под давлением.

В течение следующего десятилетия технология развивалась и одна из последних концепций, созданных на топливных элементах от Мерседес имел выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не забывайте про двух японцев, Toyota и Honda. Одним из крупнейших автомобильных игроков стала Honda, который представил серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла в Японию.

Топливный элемент принцип работы - фотография 24 - изображение 24

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Еще дальше пошла Toyota с моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по- видимому способна предоставить футуристичному автомобилю диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправляемого менее чем за пять минут, так же как обычный автомобиль. Показатели расхода топлива поразят любого скептика, они невероятны даже для автомобиля с классической силовой установкой Toyota Mirai расходует 3.5 литра независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе, на шоссе или в смешанном цикле.

Прошло восемь лет. Honda потратила это время с пользой для своего дела. Второе поколение Honda FCX Clarity сейчас появляется в продаже. Ее батареи топливных элементов стали на 33% более компактными, чем у первой модели, удельная мощность увеличилась на 60%. Honda уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам сравним с двигателем V6, что оставляет достаточно внутреннего пространства для пяти пассажиров и их багажа.

Топливный элемент принцип работы - изображение 25 - изображение 25

Технология топливных элементов и ее использование в автомобилях

Предполагаемый диапазон составляет 500 км, а стартовая цена новинки должна закрепиться на уровне в $60,000. Дорого? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000 автомобили с подобными технологиями стоили $100.000.

Смотрите также: 2016 World Car of the Year, победители и проигравшие

Учитывая ограничения присущие данной технологии в автомобилях, в связи с отсутствием заправочной инфраструктуры, являющейся наибольшим препятствием, машины на топливных элементах вряд ли смогут конкурировать с более традиционными автомобилями в ближайшие 15-20 лет, но в долгосрочной перспективе, они могут оказаться более жизнеспособными. Налоги на загрязнение и экологические законы становятся все более и более жесткими, и наряду с непрерывным ростом потребления ископаемого топлива, это может убедить правительства разных стран и производителей автомобилей вкладываться в экологичную технологию еще активнее.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливный элемент принцип работы - фото 26 - изображение 26

Ежегодно в мире сжигается 10 млрд.тонн условного топлива, причем делается это очень расточительно. Коэффициент полезного действия тепловых электрических станций составляет лишь 20%, дизель генераторов – 37%, газовых турбин – 50%, топливных элементов – 60%. Сочетание их с газовой турбиной позволяет поднять к.п.д. до 75%.

Топливные элементы – это химические источники электрической энергии, предназначенные для превращения в электрическую энергию химической энергии, получаемой от сгорания топлива.

Превращать энергию сжигания топлива в электрическую предложил Яблочков П.Н. в 1880 г.

Водородно-кислородный элемент предложен в 1939 г. Грове, элемент работал при комнатной температуре, атмосферном давлении, обеспечивал очень низкие токи, сильно поляризовался, имел низкие к.п.д.

При переходе к воздушному электроду вместо кислородного, э.д.с. снижается. Подбор материалов, снижающих перенапряжение выделения кислорода и водорода позволил рекомендовать для отрицательных электродов Pd, Pd- или платинированный графит, для положительных порошки Ag и Ni в смеси с активным углем. Повышение температуры и давления позволяет увеличить плотности тока.

В 1959 г. Бэкон, Кембридж, создал батарею из кислородно-водородных элементов мощностью 5 кВт.

Под топливными элементами (ТЭ) подразумевают такие источники тока, в которых активные вещества хранятся отдельно, происходит постоянная подача их из внешних хранилищ внутрь источника тока, в зону электрохимической реакции, и постоянный отвод продуктов реакции из источника тока. Электроды выполняют роль катализаторов электрохимических реакций и токоотводов. За­метим, что электроды при этом не расходуются и, в принципе, могли бы рабо­тать неограниченное время, если бы не различные привходящие обстоятельства.

Классифицируются ТЭ чаще всего по температурному режиму их работы. Так, различают низкотемпературные (до 100°С), среднетемпературные (до 300°С) и высокотемпературные ТЭ (выше 500°С). Кроме того, имеется группа регенеративных ТЭ, которые могут быть и низкотемпературными, и высокотемпе­ратурными.

Водородно-кислородные низкотемпературные топлив­ные элементы (НТТЭ) наиболее разработаны, они бывают со щелочным, кислотным и ионообменным электролитами.

Работа НТТЭ со щелочным электролитом описывается уравнениями реак­ций:

на аноде

2Н2 + 4ОН- - 4е =4Н2О (6.23)

на катоде

O2 +2H2O + 4e = 4OH-

He + O2 =2Н2О

Топливный элемент принцип работы - изображение 27 - изображение 27

Рис. 179. Водородно-кислородный элемент с пористы­ми цилиндрическими уголь­ными электродами: 1—полый цилиндрический во­дородный электрод; 2 — токоотвод водородного электрода; 3—полый цилиндрический ки­слородный (воздушный) элек­трод; 4—подвод воздуха к элек­троду; 5—пластмассовые муф­ты; 6—токоотвод кислородного электрода.

Топливный элемент принцип работы - изображение 28 - изображение 28

Рис. 180. Схема водородно-кислородного элемента с ионообменной мем­браной:

1 — уплотняющие про­кладки; 2 — стенки га­зовых камер; 3—ионо­обменная мембрана; 4—электроды; 5—га­зовые камеры.

Основная задача при разработке этих и других типов ТЭ с газообразными активными веществами состоит в создании устойчивой границы соприкосновения трех фаз (газовой, жидкой и твердой), на которой совершается основной токообразующий процесс. Такая граница создается конструированием электродов с заданной пористостью. Положение границы раздела регулируют либо внешним давлением газа (в элементе Бэкона), либо капиллярным давлением электролита (в элементе Юсти).

Водородный электрод получают спеканием карбонильного никелевого по­рошка; в качестве катализатора используют добавку высокоактивного (рэнеевского) никеля. Для этого к карбонильному никелю добавляют мелкораздроблен­ный сплав никеля с алюминием, прессуют и спекают в водородной атмосфере. Затем алюминий выщелачивают, обрабатывая растворами щелочи. Положитель­ный (кислородный) электрод делают тоже из никеля, но катализатором служит дисперсное (скелетное) серебро. Электроды применяют двухслойные, причем слой, прилегающий к газовой фазе, должен быть крупнопористым, а слой, соприкасаю­щийся с электролитом, — мелкопористым. Давление газа в электроде выбирают с таким расчетом, чтобы электролит был вытеснен из крупнопористого слоя, тогда как мелкопористый слой, благодаря капиллярным силам, оставался бы пропитан­ным электролитом. Этот слой (его называют запорным) не позволяет газу пере­ходить в виде пузырьков в электролит.

Топливный элемент принцип работы - фото 29 - изображение 29

Рис. 1.40. Схема распределения жидкости и газа в бипористом газожидкостном электроде:

1 — запорный слой; 2 — активный слой; 3 — поры, запол­ненные газом; 4 — поры, заполненные жидкостью.

Рассматриваемые элементы допускают плотности тока 100 — 200 мА/см2, ра­ботают на протяжении сотен и тысяч часов и имеют удельную мощность порядка 50 Вт на 1 кг массы батареи. Электролитом в указанном ТЭ служит 30% рас­твор КОН.

Теоретическое значение удельной энергии кислородно-водородного НТТЭ при 25°С составляет 3650 Вт×ч/кг активных веществ. Практически больше 1000— 1500 Вт×ч/кг получить не удается. Это обусловлено тем, что масса баллонов для хранения водорода в 50 -100 раз больше массы газа.

При хранении водорода в сжиженном состоянии с применением слоистой ва­куумной тепловой изоляции масса тары только в несколько раз превышает массу газа.

Практическое применение находят также НТТЭ с жидким (растворенным) топливом (спирты, гидразин, бензин, мазут). Особенно большое внимание уде­ляется гидразин-кислородному ТЭ со щелочным электролитом. В присутствии та­ких катализаторов, как палладий, платина или никель, гидразин разлагается на водород и азот по уравнению

N2H4 =N2 + 2H2 (6.24)

Образующийся при этом водород используется как топливо для ТЭ. В США построены и эксплуатируются опытные образцы таких батарей. Преимущество этих батарей заключается в удобстве хранения и транспортирования гидразина, не требующего применения высоких давлений или низких температур, недоста­ток — высокая токсичность гидразина и его паров.

Среднетемпературные топливные элементы (СТТЭ) представляют собой водородно-кислородные ТЭ, работающие при 250—300°С и при давлении газов до 6 МПа. Электролитом служит 85% раствор щелочи, находящийся при рабочей температуре в жидком состоянии. Электроды никелевые, без катализаторов. Эле­мент имеет пологие вольт-амперные характеристики: с увеличением плотности тока от 100 до 200 мА/см2 напряжение элемента падает от 1,05 до 0,9 В.

Топливный элемент принцип работы - фото 30 - изображение 30

Схема установки «Гидрокс»: 1- водородная камера, 2 – кислородная камера, 3 – водородный электрод (анод), 4 – кислородный электрод (катод), 5 – электролит, 6 – резервуар с электролитом, 7 – нагреватель для циркуляции электролита, 8 – обогрев элемента, 9 – штуцер подачи водорода, 10 – штуцер подачи кислорода, 11 – регулятор давления газа и электролита, 12 – конденсатор и дроссель для удаления воды.

У камер 1,2 стенки обращенные друг к другу сделаны из микропористых никелевых дисков диаметром 127 мм, толщиной 4 мм. Изготавливают их металлокерамическим способом. Диаметр пор к газу 30 мк, к электролиту 15 мк.

Электролит 27% КОН, температура 200-240°С, Р=40-56 атм. Давление газа на 0,1 атм больше давления электролита. В результате электролит не проникает в более крупные поры (30 мк) и они открыты для адсорбции газов. В то же время при DР=0,1 атм газ не может выдавить жидкость из пор 15 мк.

Т.о. создается устойчивая 3-фазная граница газ – электролит -металлический электрод для реализации электрохимических реакций.

При 240°С и 56, 2 атм. Элемент «Гидрокс» имел следующие показатели:

Нагрузка, А/см2 0 0,162 0,413 1,076

Напряжение, В 1,05 0,9 0,8 0,6

К.п.д.,% - 77 68 51,5

К числу СТТЭ относится также ТЭ, в котором в качестве электролита при­менен 85% раствор ортофосфорной кислоты, адсорбированный пористой про­кладкой и пористыми платиновыми электродами. Рабочая температура — от 150 до 200 °С. В качестве окислителя применяется кислород, а в качестве топлива — водород, пары спирта и некоторые углеводороды.

Для практики более интересны воздушно-угольные или воздушно-водородоуглеродные топливные элементы, но они реализуются только при повышенных температурах.

В 1937 г. Бауру предложил воздушно-угольные ТЭ с твердым электролитом, работающие при1000-2000°С.

Электролит получен спеканием СеО2 и WO3 при 1100°С, либо прокаливанием Fe2O3(магнетит) (воздушный электрод). В элементе реализуется реакция

2С + О2 =2СО

Кислород в ионизированном состоянии переносится через твердый электролит к углю

Процессы на электродах:

- С + О2—2е = СО

+ 1/2О2 + 2 е = О2-.

Е = 0,7В; I = 1,5-2,0 А/1 л объема.

Предложенный О.К.Давтяном ТЭ использовал энергию реакции

2СО + О2 =2СО2.

Топливный элемент принцип работы - фото 31 - изображение 31

Рис. 1-18. Схема устройства топливного элемента: а—элемент с плоскими электродами; б—элемент с трубчатыми электродами; 1—газовая камера топлива; 2—газовая камера окислителя; 3—электролит; 4—диффузионный анод; 5—диффу­зионный катод.

1 - воздушный электрод, 2 – топливный электрод (СО), 3 – твердый электролит с кислородной проводимостью, 4 – воздушная камера, 5 – камера для топливного газа.

Даниель-Бок создал аналогичную конструкцию для сжигания бензина и другого углеводородного топлива.

Положительный электрод 60% FeO + 20%Fe3O4 + 20% шамотной глины.

Отрицательный электрод 60% FeO + 20%Fe опилки + 20% шамотной глины.

Смеси, смоченные в воде вмазывают в железный каркас, сушат и прокаливают при 800-900°С.

Твердый электролит готовят сплавлением при 1200°С, 43% Na2CO3, 27% моноцитового песка (3-4% ThO2 и 15-20% РЗМ), 20% WO3 + 10%Na2SiO3. удельное сопротивление при 700°С 3 Ом×cм, плотность тока 20 ма/см2 , V=0,79В . Электроды практически не поляризуются.

При работе с газом 50% СО, 50%Н2, к.п.д. 80%. Недостатком является малая стойкость к изменению температуры пластины твердого электролита, приводящая к ее растрескиванию.

Необходимы катализаторы, ускоряющие электродные процессы при умеренных температурах и давлениях.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 193)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты