Описание:
В настоящей статье более подробно рассматривается, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования.
Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий
Часть 1
В настоящей статье более подробно рассматривается принцип действия топливных элементов, их устройство, классификация, достоинства и недостатки, область применения, эффективность, история создания и современные перспективы использования. Во второй части статьи , которая будет опубликована в следующем номере журнала «АВОК», приводятся примеры объектов, на которых в качестве источников тепло- и электроснабжения (или только электроснабжения) использовались различные типы топливных элементов.
Вода может быть сохранена даже в обоих направлениях как в сжатом, так и в сжиженном виде, но это тоже слякоть, оба из которых вызваны значительными техническими проблемами. Это связано с высокими давлениями и чрезвычайно низкими температурами из-за сжижения. По этой причине, например, стенд для раздатчика водяного топлива должен быть спроектирован иначе, чем мы привыкли, конец линии розлива соединяет роботизированную руку с клапаном на автомобиле. Соединение и наполнение довольно опасны, и поэтому лучше всего, если это происходит без присутствия человека.
Введение
Топливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии.
Первоначально применявшиеся лишь в космической отрасли, в настоящее время топливные элементы все активней используются в самых разных областях - как стационарные электростанции, тепло- и электроснабжения зданий, двигатели транспортных средств, источники питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств является лабораторными прототипами, часть проходит предсерийные испытания или используется в демонстрационных целях, но многие модели выпускаются серийно и применяются в коммерческих проектах.
Такое устройство находится в испытательном пробеге в аэропорту в Мюнхене, попробуйте ехать сюда с индивидуальными автомобилями и автобусами. Высокий килограмм пробега - это круто, но на практике это так же важно, как и сколько килограммов оно будет стоить, и сколько места в автомобиле займет сильный топливный бак с теплоизоляцией. Некоторые другие проблемы с водой: - создать сложную воздушную ванну - проблема с гаражами, авторемонтными мастерскими и т.д. - благодаря небольшой молекуле, проникающей в каждое узкое место, винты и клапаны - сжатие и сжижение требуют значительных затрат энергии.
Топливный элемент (электрохимический генератор) - устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива . Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.
Особые давления, сжатие и набор необходимых мер безопасности имеют очень хорошее значение в оценке по окончании воды, по сравнению с жидким углеводородным топливом, которое производится с помощью легких контейнеров без давления. Поэтому, возможно, очень срочные обстоятельства могут способствовать его поистине лестному наслаждению.
В ближайшем будущем производители автомобилей по-прежнему ищут более дешевое и относительно менее опасное жидкое топливо . Горячим расплавом может быть метанол, который можно экстрагировать относительно просто. Его основной и единственной неприятностью является токсичность, с другой стороны, подобно воде, метан может использоваться как в двигателях внутреннего сгорания, так и в определенной типе топливной цепи. Он также имеет некоторые преимущества в двигателях внутреннего сгорания, в том числе в плане выбросов.
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (рис. 1).
В этом отношении вода может подняться до относительно неожиданной и все же способной конкуренции. Топливный элемент является источником тока, генерируемого электрохимической реакцией. В отличие от всех наших известных батарей, в него поступают реагенты, и отходы постоянно выгружаются, поэтому, в отличие от батареи, она фактически неисчерпаема. Хотя существует много разных типов , следующая схема топливных элементов водорода помогает нам понять, как это работает.
Топливо подается на положительный электрод, где он окисляется. О2-кислород поступает на электрод отрицательный и может быть уменьшен.
Было даже возможно разработать топливный элемент, который непосредственно сжигает уголь. Поскольку работа ученых из Лаборатории Лоуренса Ливермора, которая смогла проверить топливный элемент, непосредственно превращающий уголь в электричество, может стать очень важной вехой в развитии энергетики, мы остановимся на нескольких словах. Угольный грунт размером до 1 мкм смешивается при 750-850 ° С с расплавленным литием, натрием или карбонатом калия.
Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ , аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.
При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции помимо электрической энергии являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или вызывающие парниковый эффект. Если в качестве топлива используется водородосодержащее сырье, например, природный газ, побочным продуктом реакции будут и другие газы, например, оксиды углерода и азота, однако его количество значительно ниже, чем при сжигании такого же количества природного газа.
Затем все делается стандартным способом в соответствии с приведенной выше схемой: кислород воздуха реагирует с углеродом на углекислый газ, а энергия выделяется в виде электричества. Хотя мы знаем несколько различных типов топливных элементов, все они работают в соответствии с описанным принципом. Это своего рода регулируемое горение. Когда мы смешиваем водород с кислородом, мы получаем разрывную смесь, которая взрывается, образуя воду. Энергия выделяется в виде тепла. В водородном топливном элементе есть такая же реакция, продукт также является водой, но энергия выделяется как электричество.
Процесс химического преобразования топлива с целью получения водорода называется реформингом, а соответствующее устройство - реформером.
Достоинства и недостатки топливных элементов
Топливные элементы энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. Коэффициент полезного действия топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
Большим преимуществом топливного элемента является то, что он производит электроэнергию из топлива так или иначе напрямую, без промежуточной тепловой установки, поэтому выбросы ниже и эффективность выше. Он достигает 70%, в то время как в качестве стандарта мы достигаем 40% конверсии угля в электричество. Почему же мы не строим гигантские топливные элементы вместо электростанций? Топливный элемент представляет собой довольно сложное устройство, работающее при высоких температурах , поэтому требования к материалам электродов и самому электролите высоки.
В отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания КПД топливных элементов остается очень высоким и в том случае, когда они работают не на полной мощности. Кроме этого, мощность топливных элементов может быть увеличена простым добавлением отдельных блоков, при этом КПД не меняется, т. е. большие установки столь же эффективны, как и малые. Эти обстоятельства позволяют очень гибко подбирать состав оборудования в соответствии с пожеланиями заказчика и в конечном итоге приводят к снижению затрат на оборудование.
Электролиты включают, например, ионообменные мембраны или проводящие керамические материалы, или довольно дорогие материалы , или фосфорную кислоту, гидроксид натрия или расплавленные карбонаты щелочных металлов, которые являются очень агрессивными для изменения ткани. Именно эта сложность заключалась в том, что после первоначального энтузиазма в двадцатом веке топливные элементы, помимо космической программы, не были более значительными.
Затем интерес снова уменьшился, когда выяснилось, что более широкое использование было выше возможностей технологии в то время. Однако за последние тридцать лет развитие не прекратилось, появились новые материалы и концепции, и наши приоритеты изменились - теперь мы уделяем гораздо больше внимания защите окружающей среды , чем тогда. Поэтому мы испытываем некоторый ренессанс топливных элементов, которые все чаще применяются во многих областях. Есть 200 таких устройств по всему миру. Например, они служат в качестве резервного устройства , где отказ сети может вызвать серьезные проблемы - например, в больницах или военных учреждениях.
Важное преимущество топливных элементов - их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов настолько низки, что в некоторых районах США для их эксплуатации не требуется специального разрешения от государственных органов, контролирующих качество воздушной среды.
Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость , но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Они используются в очень отдаленных местах, где легче транспортировать топливо, чем растягивать кабель. Они также могут начать соревноваться с электростанциями. Это самый мощный модуль, установленный в мире.
Практически каждый крупный автопроизводитель работает над проектом электромобиля с топливным элементом. Похоже, что это гораздо более перспективная концепция, чем обычный электрический автомобиль с батареей, потому что он не требует длительной зарядки, и необходимое изменение инфраструктуры не столь обширно.
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день - их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен - все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается.
Растущее значение топливных элементов также подтверждается тем фактом, что администрация Буша недавно переосмыслила свой подход к развитию автомобилей, а средства, которые он потратил на разработку автомобилей с максимально возможным пробегом, теперь переданы проектам топливных элементов. Финансирование развития не просто остается на чреслах государства.
Конечно, новая концепция привода не ограничивается легковыми автомобилями, но мы также можем встретить ее в массовом транзите. Автобусы с топливными элементами перевозят пассажиров на улицах нескольких городов. Наряду с автомобильными приводами на рынке имеется ряд более мелких, таких как компьютеры с питанием, видеокамеры и мобильные телефоны. На рисунке мы видим топливный элемент для питания сигнализации трафика.
Наиболее эффективно использование в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки и транспортировки. В настоящее время все коммерческие образцы используют природный газ и подобное топливо. Автотранспортные средства могут использовать обыкновенный бензин, что позволит сохранить существующую развитую сеть автозаправочных станций. Однако использование такого топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу (хотя и очень низким) и усложняет (а следовательно, и удорожает) топливный элемент. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Следует упомянуть использование топливных элементов на полигонах, где они могут сжигать выбросы газов и способствовать улучшению окружающей среды в дополнение к производству электроэнергии. В настоящее время запущено несколько испытательных стендов, и на 150 полигонах по всей территории Соединенных Штатов готовится обширная программа установки этих объектов. Топливные элементы - это просто полезные устройства, и мы обязательно встретим их все чаще и чаще.
Химики разработали катализатор, который может заменить дорогостоящую платину в топливных элементах. Вместо этого он использует около двухсот тысяч дешевого железа. Топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую. Электроны в разных молекулах имеют разные энергии. Разность энергии при преобразовании одной молекулы в другую может быть использована в качестве источника энергии. Просто найдите реакцию, при которой электроны движутся от более высоких до нижних. Такие реакции являются основным источником энергии для живых организмов.
Еще одна особенность топливных элементов состоит в том, что они наиболее эффективны при использовании одновременно как электрической, так и тепловой энергии. Однако возможность использования тепловой энергии есть не на каждом объекте. В случае использования топливных элементов только для выработки электрической энергии их КПД уменьшается, хотя превышает КПД «традиционных» установок.
Самым известным является дыхание, которое превращает сахара в углекислый газ и воду. В водородном топливном элементе молекулы водорода с двумя атомами объединяются с кислородом в воду. Разность энергий между электронами в водороде и воде используется для выработки электроэнергии. Водородные ячейки, вероятно, наиболее часто используются для вождения автомобилей сегодня. Их массовое расширение также предотвращает небольшой крючок.
Для того чтобы энергетически богатая реакция имела место, необходим катализатор. Катализаторы представляют собой молекулы, которые увеличивают вероятность возникновения реакции. Без катализатора он также мог работать, но реже или медленнее. В водородных клетках в качестве катализатора используется драгоценная платина.
История и современное использование топливных элементов
Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 году. Английский ученый Уильям Гроув (William Robert Grove, 1811-1896) обнаружил, что процесс электролиза - разложения воды на водород и кислород посредством электрического тока - обратим, т. е. водород и кислород можно объединять в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Прибор, в котором удалось провести такую реакцию, Гроув назвал «газовой батареей» («gas battery»), которая представляла собой первый топливный элемент.
Та же реакция, что и в клетках водорода, также встречается в живых клетках. Ферменты представляют собой относительно большие молекулы, состоящие из аминокислот, которые можно комбинировать в виде кубиков Лего. Каждый фермент имеет так называемый активный сайт, в котором происходит ускорение реакции. На активном сайте также часто присутствуют молекулы, отличные от аминокислот.
В случае с водородной кислотой это железо. Группа химиков, возглавляемая Моррисом Баллоком из Тихоокеанской лаборатории Министерства энергетики США, сумела подражать реакции в активном месте гидрирования. Как и фермент, гидрирования достаточно для платины с железом. Он может разделить 0, 66 до 2 молекул водорода в секунду. Разница в напряжении составляет от 160 до 220 тысяч вольт. Оба они сопоставимы с текущими платиновыми катализаторами, которые используются в водородных ячейках. Реакцию проводят при комнатной температуре.
Активное развитие технологий использования топливных элементов началось после Второй мировой войны, и связано оно с аэрокосмической отраслью. В это время велись поиски эффективного и надежного, но при этом достаточно компактного источника энергии. В 1960-х годах специалисты НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) выбрали топливные элементы в качестве источника энергии для космических кораблей программ «Apollo» (пилотируемые полеты к Луне), «Apollo-Soyuz», «Gemini» и «Skylab». На корабле «Apollo» были использованы три установки мощностью 1,5 кВт (пиковая мощность 2,2 кВт), использующие криогенный водород и кислород для производства электроэнергии, тепла и воды. Масса каждой установки составляла 113 кг. Эти три ячейки работали параллельно, но энергии, вырабатываемой одной установкой, было достаточно для безопасного возвращения. В течение 18 полетов топливные элементы наработали в общей сложности 10 000 часов без каких-либо отказов. В настоящее время топливные элементы применяются в космических кораблях многоразового использования «Space Shuttle», где используются три установки мощностью 12 Вт, которые вырабатывают всю электрическую энергию на борту космического корабля (рис. 2). Вода, получаемая в результате электрохимической реакции, используется в качестве питьевой, а также для охлаждения оборудования.
Один килограмм железа стоит 0, 5 крон. Поэтому железо в 200 тысяч раз дешевле платины. В будущем топливные элементы могут быть дешевле. Дорогая платина - не единственная причина, почему их использовать не стоит, по крайней мере, не в больших масштабах. Обращение с ним сложно и опасно.
Если бы водородные камеры должны были использоваться навалом для вождения автомобилей, им пришлось бы построить такую же инфраструктуру, что и бензин и дизельное топливо. Кроме того, медь необходима для производства электродвигателей, на которых приводятся автомобили с водородным двигателем . Однако это не означает, что топливные элементы бесполезны. Когда есть нефть, может быть, у нас нет ничего, кроме как ездить на водороде.
В нашей стране также велись работы по созданию топливных элементов для использования в космонавтике. Например, топливные элементы использовались для энергоснабжения советского корабля многоразового использования «Буран».
Разработки методов коммерческого использования топливных элементов начались в середине 1960-х годов. Эти разработки частично финансировались государственными организациями.
В настоящее время развитие технологий использования топливных элементов идет в нескольких направлениях. Это создание стационарных электростанций на топливных элементах (как для централизованного, так и для децентрализованного энергоснабжения), энергетических установок транспортных средств (созданы образцы автомобилей и автобусов на топливных элементах, в т. ч. и в нашей стране) (рис. 3), а также источников питания различных мобильных устройств (портативных компьютеров, мобильных телефонов и т. д.) (рис. 4).
Примеры использования топливных элементов в различных областях приведены в табл. 1.
Одной из первых коммерческих моделей топливных элементов, предназначенных для автономного тепло- и электроснабжения зданий, стала модель «PC25 Model A» производства компании «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.»). Этот топливный элемент номинальной мощностью 200 кВт относится к типу элементов с электролитом на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Цифра «25» в названии модели означает порядковый номер конструкции. Большинство предыдущих моделей были экспериментальными или испытательными образцами, например, модель «PC11» мощностью 12,5 кВт, появившаяся в 1970-х годах. В новых моделях увеличивалась мощность, снимаемая с отдельной топливной ячейки, а также уменьшалась стоимость киловатта произведенной энергии. В настоящее время одной из самых эффективных коммерческих моделей является топливный элемент «PC25 Model C». Как и модель «A», это полностью автоматический топливный элемент типа PAFC мощностью 200 кВт, предназначенный для установки непосредственно на обслуживаемом объекте в качестве автономного источника тепло- и электроснабжения. Такой топливный элемент может устанавливаться снаружи здания. Внешне он представляет собой параллелепипед длиной 5,5 м, шириной и высотой 3 м, массой 18 140 кг. Отличие от предыдущих моделей - усовершенствованный реформер и более высокая плотность тока.
| Таблица 1 Область применения топливных элементов |
|||||||||||||||
|
В некоторых типах топливных элементов химический процесс может быть обращен: при подаче на электроды разности потенциалов воду можно разложить на водород и кислород, которые собираются на пористых электродах. При подключении нагрузки такой регенеративный топливный элемент начнет вырабатывать электрическую энергию.
Перспективное направление использования топливных элементов - использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы. Подобную систему планируется создать, например, в учебном центре Адама Джозефа Льюиса в Оберлине (см. «АВОК», 2002, № 5, с. 10). В настоящее время в качестве одного из источников энергии в этом здании используются солнечные батареи. Совместно со специалистами НАСА разработан проект использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и . Это позволит зданию поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
Принцип действия топливных элементов
Рассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 5.
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2-7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды.
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде - восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала , представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию.
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы (рис. 6).
Рисунок 5. () Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента) |
|
Рисунок 6. () Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы |
|
Рисунок 7. () В результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода превращаются в протоны |
|
Рисунок 8. () Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка |
|
Рисунок 9. () Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода |
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e – , превращаются в положительно заряженные ионы водорода H + , т. е. протоны (рис. 7).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 8).
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 9). В результате химической реакции образуется вода.
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H 3 PO 4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию.
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи (рис. 10).
Устройство топливных элементов
Рассмотрим устройство топливного элемента на примере модели «PC25 Model C». Схема топливного элемента приведена на рис. 11.
Топливный элемент «PC25 Model C» состоит из трех основных частей: топливного процессора, собственно секции выработки энергии и преобразователя напряжения.
Основная часть топливного элемента - секция выработки энергии - представляет собой батарею, составленную из 256 отдельных топливных ячеек . В состав электродов топливных ячеек входит платиновый катализатор. Посредством этих ячеек вырабатывается постоянный электрический ток 1 400 ампер при напряжении 155 вольт. Размеры батареи - примерно 2,9 м в длину и 0,9 м в ширину и высоту.
Поскольку электрохимический процесс идет при температуре 177 °C, необходимо нагреть батарею в момент пуска и отводить от нее тепло в процессе эксплуатации. Для этого в состав топливного элемента входит отдельный водяной контур, а батарея оборудована специальными охлаждающими пластинами.
Топливный процессор позволяет преобразовать природный газ в водород, необходимый для электрохимической реакции. Этот процесс называется реформингом. Основной элемент топливного процессора - реформер. В реформере природный газ (или другое водородсодержащее топливо) взаимодействует с водяным паром при высокой температуре (900 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора - никеля. При этом происходят следующие химические реакции:
CH 4 (метан) + H 2 O 3H 2 + CO
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла);
CO + H 2 O H 2 + CO 2
(реакция экзотермическая, с выделением тепла).
Общая реакция выражается уравнением:
CH 4 (метан) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2
(реакция эндотермическая, с поглощением тепла).
Для обеспечения высокой температуры, требуемой для преобразования природного газа, часть отработанного топлива из батареи топливных элементов направляется на горелку, которая поддерживает требуемую температуру реформера.
Пар, необходимый для реформинга, образуется из конденсата, образовавшегося при работе топливного элемента. При этом используется тепло, отводимое от батареи топливных ячеек (рис. 12).
В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий промышленным стандартам, используется преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока преобразователя напряжения входят различные управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев.
В таком топливном элементе примерно 40 % энергии топлива может быть преобразовано в электрическую энергию. Примерно столько же, около 40 % энергии топлива, может быть преобразовано в тепловую энергию , используемую затем в качестве источника тепла для отопления, горячего водоснабжения и подобных целей. Таким образом, суммарный КПД такой установки может достигать 80 %.
Важным достоинством такого источника тепло- и электроснабжения является возможность его автоматической работы . Для обслуживания владельцам объекта, на котором установлен топливный элемент, не требуется содержать специально обученный персонал - периодическое обслуживание может осуществляться работниками эксплуатирующей организации.
Типы топливных элементов
В настоящее время известно несколько типов топливных элементов, различающихся составом использованного электролита. Наибольшее распространение получили следующие четыре типа (табл. 2):
1. Топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).
2. Топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).
3. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).
4. Твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). В настоящее время самый большой парк топливных элементов построен на основе технологии PAFC.
Одной из ключевых характеристик разных типов топливных элементов является рабочая температура. Во многом именно температура определяет область применения топливных элементов. Например, высокая температура критична для ноутбуков, поэтому для этого сегмента рынка разрабатываются топливные элементы с протонообменной мембраной, отличающиеся низкими рабочими температурами.
Для автономного энергоснабжения зданий необходимы топливные элементы высокой установочной мощности, и при этом имеется возможность использования тепловой энергии, поэтому для этих целей могут использоваться и топливные элементы других типов.
Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов - высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Номинальная мощность топливных элементов этого типа составляет 1-100 кВт.
Топливные элементы с протонообменной мембраной первоначально были разработаны корпорацией «General Electric» в 1960-х годах по заказу НАСА. Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. Из-за простоты и надежности такие топливные элементы использовались в качестве источника энергии на пилотируемом космическом корабле «Gemini».
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источников питания для широкого спектра различных устройств, в т. ч. опытных образцов и прототипов, от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Менее эффективно их применение в качестве источника тепло- и электроснабжения общественных и промышленных зданий, где требуются большие объемы тепловой энергии. В то же время, такие элементы перспективны в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей, построенных в регионах с жарким климатом.
| Таблица 2 Типы топливных элементов |
||||||||||||||||||||
|
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC)
Испытания топливных элементов этого типа были проведены уже в начале 1970-х годов. Диапазон рабочих температур - 150-200 °C. Основная область применения - автономные источники тепло- и электроснабжения средней мощности (около 200 кВт).
В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 37-42 %. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Для производства энергии водородсодержащее сырье необходимо преобразовать в чистый водород в процессе реформинга. Например, если в качестве топлива используется бензин, то необходимо удалить серосодержащие соединения, поскольку сера может вывести из строя платиновый катализатор.
Топливные элементы типа PAFC были первыми коммерческим топливными элементами, использование которых стало оправданным с экономической точки зрения. Наиболее распространенной моделью стал топливный элемент «PC25» мощностью 200 кВт производства «ONSI Corporation» (сейчас «United Technologies, Inc.») (рис. 13). Например, эти элементы используются в качестве источника тепловой и электрической энергии в полицейском участке в Центральном Парке Нью-Йорка или в качестве дополнительного источника энергии высотного здания «Conde Nast Building & Four Times Square». Самая большая установка этого типа проходит испытания в качестве электростанции мощностью 11 МВт, расположенной в Японии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты используются и в качестве источника энергии в транспортных средствах. Например, в 1994 году корпорация «H-Power Corp.», Джорджтаунский университет и Министерство энергетики США оборудовали автобус энергетической установкой мощностью 50 кВт.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC)
Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах - 600-700 °C. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке, без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии. Однако они отличаются высокой эффективностью преобразования топлива - 60 % электрический КПД и до 85 % общий КПД.
В топливных элементах этого типа электролит состоит из солей карбоната калия и карбоната лития, нагретых примерно до 650 °C. В этих условиях соли находятся в расплавленном состоянии, образуя электролит. На аноде водород взаимодействует с ионами CO 3 , образуя воду, диоксид углерода и высвобождая электроны, которые направляются во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образуя ионы CO 3 .
Лабораторные образцы топливных элементов этого типа создали в конце 1950-х годов голландские ученые G. H. J. Broers и J. A. A. Ketelaar. В 1960-х годах с этими элементами работал инженер Френсис Бэкон (Francis T. Bacon), потомок известного английского писателя и ученого XVII века, поэтому иногда топливные элементы MCFC называют элементами Бэкона. В программах НАСА «Apollo», «Apollo-Soyuz» и «Scylab» в качестве источника энергоснабжения использовались именно такие топливные элементы (рис. 14). В эти же годы военное ведомство США испытывало несколько образцов топливных элементов MCFC производства «Texas Instruments», в которых в качестве топлива использовались армейские сорта бензина. В середине 1970-х годов Министерство энергетики США начало исследования, целью которых было создание стационарного топливного элемента на основе расплавленного карбоната, пригодного для практического применения . В 1990-х годах был введен в действие ряд коммерческих установок номинальной мощностью до 250 кВт, например, на авиабазе ВМФ США «Miramar» в Калифорнии. В 1996 году компания «FuelCell Energy, Inc.» запустила в опытную эксплуатацию предсерийную установку номинальной мощностью 2 МВт в Санта-Кларе, Калифорния.
Твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC)
Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах - 700-1 000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере.
Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их в качестве электролитов.
Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году (рис. 15). Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства тепловой и электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.
Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.
Режим работы топливных элементов типа SOFC, с высокой температурой и высоким давлением, позволяет создавать гибридные установки, в которых выбросы топливных элементов вращают газовые турбины, используемые для выработки электрической энергии. Первая такая гибридная установка работает в Ирвайне, Калифорния. Номинальная мощность этой установки - 220 кВт, из них 200 кВт от топливного элемента и 20 кВт от микротурбинного генератора.
Топливный элемент – это электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Рис. 1. Некоторые топливные элементы
Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.
Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения , который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.
Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.
Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие - для портативных устройств или для привода автомобилей.
1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду.
Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов , используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, теплоту:
Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых, чем те, что используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они работают на чистом водороде и кислороде.
2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
При нагреве до температуры 650°C соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Эти ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – теплота.
Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. Преимущество - возможность применять стандартные материалы (листовую нержавеющую сталь и никелевый катализатор на электродах). Побочную теплоту можно использовать для получения пара высокого давления. Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует большого времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 60-х годов ХХ, испытания проводились с 70-х годов ХХ века. В итоге были увеличены стабильность и рабочие показатели и снижена стоимость.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах , поэтому эти топливные элементы используются при температурах до 150-220 °C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочную теплоту можно быть использовать для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Простая конструкция , низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки мощностью 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Разработаны и показаны установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
Электролитом в этих топливных элементах является твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.
Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции: Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eРеакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHОбщая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые, делающие эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
Другое преимущество в том, что электролитом является твердое, а не жидкое вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с помощью твердого электролита, поэтому такие топливные элементы более дешевы при производстве. При применении твердого электролита нет таких трудностей, как ориентация, и меньше проблем из-за появления коррозии, что повышает долговечность элемента и его компонентов.
5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 50-х годов ХХ века и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочная теплота.
Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД производства электрической энергии - самый высокий из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C-1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Топливные элементы с прямым окислением метанола успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено будущее применение таких элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.
Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Из-за низких рабочих температур и отсутствия необходимости использовать преобразователь такие топливные элементы являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Их достоинство также - небольшие габариты.
7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему изза медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов
Тип топливного элемента | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
Средние и большие установки |
||||
Чистый водород | установки |
|||
Чистый водород | Малые установки |
|||
Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
|||
Переносные установки |
||||
Чистый водород | Космические исследова |
|||
Чистый водород | Малые установки |
10. Использование топливных элементов в автомобилях
Топливный элемент - это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию.
Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим системам для преобразования энергии (включая газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением выделяющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энергию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую выше 50%. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.
Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водорода и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, скорее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стационарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффективными для использования в автомобилях.
Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или населенные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с другой стороны, имеется преимущество - пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.
Одна из наиболее многообещающих систем - протонно-обменный мембранный топливный элемент - ПОМТЭ (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.
Химические процессы в топливном элементе
В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водорода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топливных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящиеся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положительный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как побочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента - водяной пар.
Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока) для получения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразователя электроэнергии заключается в преобразовании постоянного электрического тока,
произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяговый электродвигатель транспортного средства.
Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной
:
1 - анод;
2 - протонно-обменная мембрана (РЕМ);
3 - катализатор (красный);
4 - катод
Протонно-обменная мембрана топливного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента.
Отдельная ячейка топливного элемента
Рассмотрим, как устроен топливный элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячейки, проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем электрическом контуре (цепи). Для этого в нем гравируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализатора. Катод (положительный полюс топливной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора. Он также проводит электроны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с образованием воды. Электролит - протоннообменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов.
Катализатор - специальный материал, который облегчает реакцию между кислородом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеродистую бумагу или ткань. Катализатор должен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембраной (ПОМ).
Газообразный водород (Н 2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они проходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в действие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.
Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (O 2) продавливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура (цепи) с образованием молекулы воды (H 2 O).
Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много отдельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов.
Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.
На протяжении последних лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы. Многие уже продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощностными и динамическими характеристиками, хотя они имели довольно высокую стоимость.
Совершенствование конструкций таких автомобилей происходит очень интенсивно.
Автомобиль на топливных элементах, использует силовую установку, расположенную под полом автомобиля
Автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes-Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами расположена под полом автомобиля. Такое конструктивное решение дает возможность разместить в салоне автомобиля четырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топлива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (устройства, перерабатывающего метанол в водород), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование реформера на борту автомобиля дает возможность использовать в качестве топлива практически любые углеводороды, что позволяет заправлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теоретически топливные элементы не производят ничего, кроме электричества и воды. Преобразование топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, несколько снижает экологическую привлекательность такого автомобиля.
Компания Honda, которая занимается топливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей Honda FCX-V4 с протонно-обменными топливными элементами мембранного типа фирмы
Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для привода ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим моментом 272 Н м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традиционной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную динамику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.
Автомобиль Honda FСX использует для движения электрическую энергию, получаемую с помощью топливных элементов
Автомобиль Honda FCX - первый в мире автомобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нормам ZEV - Zero Emission Vehicle (автомобиль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти автомобили, а передает порядка 30 автомобилей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок.
Концептуальный автомобиль Hy Wire компании General Motors имеет силовую установку на топливных элементах
Большие исследования по разработке и созданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors.
Шасси автомобиля Hy Wire
При создании концептуального автомобиля GM Hy Wire было получено 26 патентов. Основу автомобиля составляет функциональная платформа толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управления автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Hy Wire представляет собой платформу небольшой толщины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: баллоны для водорода, топливные элементы, аккумуляторы, электродвигатели и системы
управления. Такой подход к конструкции дает возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по производству топливных элементов.
Конструкция «безопасного» топливного бака для сжиженного водорода
:
1 - заправочное устройство;
2 - наружный бак;
3 - опоры;
4 - датчик уровня;
5 - внутренний бак;
6 - заправочная линия;
7 - изоляция и вакуум;
8 - нагреватель;
9 - крепежная коробка
Проблеме использования водорода в качестве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фирмой Magna Steyer, известной своими работами по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разработала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомобилях.
Испытания подтвердили безопасность использования топливного бака с жидким водородом
Компания провела серию испытаний на безопасность конструкции по стандартным методикам и подтвердила ее надежность.
В 2002 г. на автосалоне во Франкфурте-на-Майне (Германия) был показан автомобиль Mini Cooper Hydrogen, который использует в качестве топлива сжиженный водород. Топливный бак этого автомобиля занимает такое же место, как и обычный бензобак. Водород в этом автомобиле используется не для топливных элементов, а в качестве топлива для ДВС.
Первый в мире серийный автомобиль с топливным элементом вместо аккумуляторной батареи
В 2003 г. фирма BMW объявила о выпуске первого серийного автомобиля с топливным элементом BMW 750 hL. Батарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора. Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, а топливный элемент служит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционера и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработающим двигателем.
Заправка водородом производится роботом, водитель не участвует в этом процессе
Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, которые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом.
Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на создание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные силовые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широкое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, экономическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо создать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности.
Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водородном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на водород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.
Horizon: Zero Dawn | 2017-03-14
В Horizon: Zero Dawn можно найти 5 топливных элементов для выполнение квеста Древний Арсенал , за который дают Ткач Щита - лучший сет брони в игре.
Horizon: Zero Dawn - где найти топливные элементы
Первый элемент питания вы найдете на ранней стадии игры. Вам предстоит отправиться в Руины , которые Элой помнит еще с детства. На карте эта точка отмечена зеленым маркером, к ней вам и необходимо держать путь. Войти в руины можно через небольшую дыру в земле. Ваша задача - спуститься на первый уровень.
Заблудиться в руинах практически невозможно, но будьте предельно внимательны. Иногда придется спускаться по лестнице, находить двери и разбивать сталактиты.
Топливный элемент находится на столе и имеет зеленую иконку.
Второй элемент можно отыскать после прохождения миссии «Сердце Нора» . На ранней стадии выполнения вы найдете дверь с выключателем, используйте его, отоприте дверь и продолжите путь. Поверните направо, а после следуйте к двери, которая находится впереди.
После этого вы найдете голо-замок, открыть который вам не удастся. Слева от него можно увидеть дыру, внутри которой находятся свечи. Двигайтесь в этом направлении и уже скоро вы найдете элемент, лежащий на земле.
Третий элемент можно отыскать в процессе выполнения миссии «Предел Мастера» . Одним из заданий миссии будет забраться на высокое здание. А оказавшись на его вершине, вы получите новое поручение - отыскать информацию в офисе Фаро.
Дойдя до нужного места, не следуйте вперед. Обернитесь и залезьте на стену впереди. Найдя топливный элемент, можно положить его в свой инвентарь и продолжить выполнение задания.
Четвертый топливный элемент
Четвертый элемент можно отыскать в процессе выполнения миссии «Клад смерти»
. После того, как вы решите задачу с голо-замками, отправляйтесь на третий этаж, следуйте по лестницам и вскоре вы найдете нужное место. Слева в коридоре будет расположена дверь с голо-замком. Внутри этой комнаты и находится топливный элемент.
Пятый элемент можно отыскать в процессе прохождения миссии «Упавшая гора»
. В определенный момент вы окажетесь в огромной пещере, после чего не стоит спускаться в самый низ. Обернитесь и вы увидите перед собой скалу, на которую необходимо забраться. На вершине вы увидите туннель с фиолетовым свечением, зайдите в него и следуйте до самого конца. Ячейка питания будет ждать вас на полке.
Совсем скоро (точнее в начале своего увлекательного приключения) главная героиня наткнётся на бункер Предтеч, который расположен совсем недалеко от земель племени «Нора». Внутри этого древнего бункера за мощной и высокотехнологичной дверью будет закрыта броня, издалека выглядящая не просто достойно, но и весьма привлекательно. Броня называется «Ткач щита» и это фактически самое лучшее снаряжение в игре. Поэтому сразу возникает куча вопросов: «Как найти и добыть броню Ткач щита?», «Где найти топливо?», «Как открыть двери бункера?» и многие другие вопросы, связанные с этой же темой. Так вот, чтобы открыть двери бункера и получить заветную броню, необходимо найти пять топливных элементов, которые в свою очередь будут разбросаны по всему игровому миру. Ниже я поведаю о том, где и как отыскать топливные элементы, чтобы решить головоломки во время поисков и в Древнем арсенале.
: Представленный гайд имеет не только подробное текстовое прохождение, но и ещё к каждому топливному элементу прикреплены скриншоты, а в конце находится видеоролик. Всё это создано для того, чтобы облегчить ваши поиски, поэтому если какой-то момент в текстовом прохождении непонятен, тогда рекомендую посмотреть скриншоты и видеоролик.
. Первое топливо - «Сердце Матери»
Где и как найти первый топливный элемент - расположение топлива.
Итак, самый первый топливный элемент (или же, проще говоря - топливо) Элой сможет отыскать ещё задолго до выхода в открытый мир по заданию «Утроба Матери». Суть в том, что после задания «Инициация» (что, кстати, тоже относится к сюжетной линии) главная героиня окажется в местечке под названием «Сердце Матери», которое является священным местом племени Нора и обители Матриархов.
Как только девушка встанет с кровати, последовательно пройдите через несколько помещений (комнат), где в одной из них наткнётесь на герметичную дверь, открыть которую просто так не получится. В этот момент настоятельно рекомендую осмотреться вокруг, потому что рядом около героини (или же около дверей - как удобней) находится вентиляционная шахта, причём декорированная горящими свечами (в общем, вам нужно именно сюда).
После того, как пройдете, определённый отрезок пути по вентиляционной шахте, героиня окажется позади запертой двери. Посмотрите на пол рядом с настенным блоком и свечами загадочного назначения - в этом месте лежит первый топливный элемент.
: Запомните обязательно то, что в случае если вы не подберёте первый топливный элемент до выхода в открытый мир, тогда после этого попасть в эту локацию получится только уже на поздних этапах прохождения. Но если быть точнее, то после прохождения задания «Сердце Нора», поэтому рекомендую забрать топливо сейчас.
. Второе топливо - «Руины»
Где и как найти второй топливный элемент - расположение топлива.
Первое, что нужно знать, занимаясь поисками второго топлива: главная героиня уже была в этой локации, когда давным-давно провалилась в руины ещё ребёнком (в самом начале игры). Так что после прохождения задания «Инициация» придётся вспомнить глубокое детство и спуститься в это место ещё разок, чтобы добыть второй топливный элемент.
Ниже представлены несколько картинок (скриншотов). На первой картинке отмечен вход в руины (красным цветом). Внутри руин нужно будет добраться до первого уровня - это правая нижняя область, которая будет подсвечена фиолетовым цветом на карте. Кроме этого, там будет ещё и дверь, открыть которую девушка сможет при помощи своего копья.
Как только Элой пройдёт через двери, поднимайтесь по лестнице выше и при первой возможности сворачивайте в правую сторону: в глубокой юности Элой не могла пролезть через сталактиты, но теперь у неё есть полезные «игрушки», которые справятся с любой задачей. Итак, доставайте копьё и ломайте при помощи него сталактиты. Вскоре путь будет свободен, поэтому остаётся взять топливный элемент, который лежит на столе и отправиться за следующим. Если какой-то момент прохождения непонятен, тогда ниже по порядку прикреплены скриншоты.
. Третье топливо - «Предел Мастера»
Где и как найти третий топливный элемент - расположение топлива.
Пришла время отправиться на север. В ходе прохождения задания «Предел Мастера» Элой предстоит внимательно исследовать и изучить гигантские руины Предтеч. Так вот в этих руинах на двенадцатом уровне будет спрятан следующий, третий топливный элемент.
Поэтому придётся подняться не только лишь на верхний уровень этих руин, но и там уже залезть ещё чуточку выше. Не теряйте драгоценное время и поднимайтесь выше по уцелевшей части постройки. Взбирайтесь наверх до тех пор, пока не окажитесь на небольшой площадке, открытой всем ветрам. Дальше всё просто, потому что наверху будет лежать третий элемент топлива: никаких головоломок, никаких загадок и секретов. Так что забирайте топливо, спускайтесь вниз и отправляйтесь дальше.
. Четвёртое топливо - «Клад Смерти»
Где и как найти четвёртый топливный элемент - расположение топлива.
Хорошая новость заключается в том, что этот топливный элемент тоже расположен в северной части карты Horizon: Zero Dawn, но при этом немного ближе к землям племени Нора. В эту часть карты главная героиня вновь попадёт в ходе прохождения очередного сюжетного задания. Но перед тем как добраться до предпоследнего топливного элемента, Элой необходимо будет восстановить энергоснабжение герметичной двери, которое находится на третьем уровне локации. Причём для этого потребуется решить небольшую и не слишком сложную головоломку. Загадка связана с блоками и регуляторами (на уровень ниже дверей есть два блока по четыре регулятора). Так вот, для начала рекомендую разобраться с левым блоком регуляторов: первый регулятор должен быть поднят (смотреть) вверх, второй - в правую сторону, третий - в левую сторону, четвёртый - вниз.
После этого переходите к блоку с правой стороны. Первые два регулятора не трогайте, а вот третий и четвёртый регуляторы должны будут быть повернуты вниз. Поэтому поднимайтесь на один уровень вверх - тут находится последний блок регуляторов. Правильный порядок будет выглядеть следующим образом: 1 - вверх, 2 - вниз, 3 - влево, 4 - вправо.
Как только сделаете всё правильно, регуляторы поменяют цвет с белого на бирюзовый. Таким образом, энергоснабжение будет восстановлено. Поэтому поднимайтесь обратно к дверям и открывайте её. За дверями героиню «встретит» предпоследний топливный элемент, поэтому можно будет отправиться за следующим, последним топливом.
. Пятое топливо - «ГЕЯ Прайм»
Где и как найти пятый топливный элемент - расположение топлива.
Наконец-таки последний топливный элемент. И вновь добыть его можно только в ходе прохождения сюжетной линии. На этот раз главной героине предстоит отправиться в руины под названием «ГЕЯ Прайм». В этом месте необходимо уделить особое внимание, когда окажитесь около третьего уровня. Суть в том, что в определённый момент перед девушкой окажется притягательная пропасть, в которую спуститься можно будет по верёвке, хотя туда идти не следует.
Перед пропастью следует повернуть в левую сторону и исследовать сначала скрытую от глаз пещеру: в неё попасть можно будет в том случае, если аккуратно спуститесь по склону горы. Пройдите внутрь и в дальнейшем двигайтесь вперёд вплоть до самого конца. В последнем помещении в комнате с правой стороны будет стоять стеллаж, на котором наконец-таки лежит последний топливный элемент. Вместе с ним можете теперь спокойно вернуться обратно в бункер и открыть все замки, чтобы добыть шикарное снаряжение.
. Как пробраться в Древний арсенал?
Ну что ж, теперь осталось вернуться в Древний арсенал, чтобы получить долгожданное вознаграждение. Если не помните коридоры арсенала, тогда посмотрите скриншоты ниже, которые помогут вспомнить весь путь.
Когда доберётесь до нужного места и пуститесь вниз, вставляйте топливные элементы в пустые ячейки. В результате регуляторы загорятся, поэтому предстоит решить новую головоломку, чтобы открыть двери. Итак, первый регулятор должен будет направлен вверх, второй - вправо, третий - вниз, четвёртый - влево, пятый - вверх. Как только сделаете всё правильно, откроются двери, но это ещё далеко не конец.
Дальше предстоит разблокировать замок (или крепления) доспехов - это ещё одна простенькая головоломка, связанная с регуляторами, в которой предстоит воспользоваться оставшимися топливными элементами. Первый регулятор должен быть повёрнут - вправо, второй - влево, третий - вверх, четвёртый - вправо, пятый - снова влево.
Наконец-таки после всех этих долгих мучений можно будет взять броню. «Ткач щита» - это очень хорошее снаряжение, на какое-то время делающее главную героиню практически неуязвимой. Самое главное постоянно следить за цветом брони: если броня мерцает белым цветом, тогда всё в порядке. Если красным - щита больше нет.
На них работают космические корабли Национального управления по аэронавтике и космическому пространству США (НАСА). Они обеспечивают электроэнергией компьютеры Первого национального банка в Омахе. Они используются на некоторых общественных городских автобусах в Чикаго.
Это все - топливные элементы. Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесс горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода.
Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства.
История развития
Первые топливные элементы были продемонстрированы сэром Вильямом Гровзом в 1839 г. Гровз показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - обратим. То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.
После того, как это было продемонстрировано, многие ученые бросились с усердием изучать топливные элементы, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи запасов нефти во второй половине девятнадцатого века оставило развитие топливных элементов далеко позади. Еще больше сдерживала развитие топливных элементов их высокая стоимость.
Всплеск развития топливных элементов пришелся на 50-е годы, когда НАСА обратилась к ним в связи с возникшей потребностью в компактном электрогенераторе для космических полетов. Были вложены соответствующие средства, и в результате полеты Apollo и Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические корабли также работают на топливных элементах.
Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают их на коммерческом рынке. Только за последние почти десять лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов.
Как работает топливный элемент
Топливные элементы похожи на аккумуляторные батареи - они вырабатывают электричество в результате химической реакции. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо и таким образом вырабатывают тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию. Если только тепло от выхлопных газов не используется каким-либо образом (например, для обогрева или кондиционирования воздуха), то можно сказать, что КПД двигателя внутреннего сгорания довольно низкий. Например, ожидается, что КПД топливных элементов при использовании в транспортном средстве - проект, который сейчас находится в стадии разработки, - будет выше КПД современных типичных двигателей на бензине, используемых в автомобилях, более чем в два раза.
Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электричество химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Батареи - устройства с накопленной энергией: электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят энергию, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию.
Существует несколько различных типов топливных элементов. Наипростейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, известной как электролит. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция - электролит, окруженный двумя электродами, - представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции.
На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, которые способствуют протеканию реакции диссоциации:
2H2 ==> 4H+ + 4e-.
H2 = двуатомная молекула водорода, форма, в
которой водород присутствует в виде газа;
H+ = ионизированный водород, т.е. протон;
е- = электрон.
Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу, такого как электродвигатель или лампочка. Это устройство обычно называется "нагрузкой".
С катодной стороны топливного элемента протоны (которые прошли через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) "воссоединяются" и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды, H2O:
4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.
Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:
2H2 + O2 ==> 2H2O.
В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива, такого как природный газ, бензин или метанол. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. Этот процесс называется "реформингом". Водород можно также получить из аммиака, альтернативных ресурсов, таких как газ из городских свалок и от станций очистки сточных вод, а также путем электролиза воды, при котором для разложения воды на водород и кислород используется электричество. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол.
Для реформинга топлива с целью получения водорода для топливных элементов были разработаны разные средства. Министерство энергетики США разработало топливную установку внутри машины для реформинга бензина с тем, чтобы обеспечивать подачу водорода на автономный топливный элемент. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США продемонстрировали компактную топливную установку по реформингу величиной в одну десятую размеров блока питания. Американская энергокомпания, Northwest Power Systems, и Национальная лаборатория Сандия продемонстрировали топливную реформинговую установку, которая преобразует дизельное топливо в водород для топливных элементов.
По отдельности топливные элементы производят около 0,7-1,0 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы собираются в "каскад", т.е. последовательное соединение. Чтобы создать больший ток, наборы каскадных элементов соединяются параллельно. Если объединить каскады топливных элементов с топливной установкой, системой подачи воздуха и охлаждения, а также с системой управления, то получится двигатель на топливных элементах. Этот двигатель может приводить в действие транспортное средство, стационарную электростанцию или переносной электрический генератор6. Двигатели на топливных элементах бывают разных размеров в зависимости от назначения, типа топливного элемента и используемого топлива. Например, размер каждой из четырех отдельных стационарных электростанций мощностью 200 кВт, установленных в банке в Омахе, приблизительно равен размеру прицепа грузовика.
Применения
Топливные элементы могут использоваться как в стационарных, так и в передвижных устройствах. В ответ на ужесточающиеся требования по нормам выбросов в США производители автомобилей, включая DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda и Nissan стали проводить эксперименты и демонстрировать машины, работающие на топливных элементах. Ожидается, что первые коммерческие автомобили на топливных элементах появятся на дорогах в 2004 или 2005 г.
Серьезной вехой в истории развитии технологии топливных элементов стала демонстрация в июне 1993 г. экспериментального 32-футового городского автобуса компании Ballard Power System с двигателем на водородных топливных элементах мощностью 90 киловатт. С тех пор было разработано и запущено в эксплуатацию много разных типов и разных поколений пассажирских транспортных средств на топливных элементах, работающих на разных видах топлива. С конца 1996 г. в Палм Дезерт в Калифорнии стали использоваться три мототележки для гольфа на водородных топливных элементах. На дорогах Чикаго, Иллинойс; Ванкувера, Британская Колумбия; и Осло, Норвегия проводятся испытания городских автобусов, работающих на топливных элементах. На улицах Лондона проходят проверку такси, работающие на щелочных топливных элементах.
Демонстрируются также и стационарные установки, использующие технологию топливных элементов, но они пока не имеют широкого коммерческого применения. Первый национальный банк Омаха в Небраске использует систему на топливных элементах для питания компьютеров, поскольку эта система более надежна, чем старая система, работавшая от основной сети с аварийным аккумуляторным питанием. Самая большая в мире коммерческая система на топливных элементах мощностью 1,2 мВт будет скоро установлена в центре по обработке почтовой корреспонденции на Аляске. Проходят испытания и демонстрируются также работающие на топливных элементах портативные компьютеры-лаптопы, системы управления, используемые на станциях очистки сточных вод и торговые автоматы.
"За" и "против"
Топливные элементы имеют ряд преимуществ. В то время как КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет только 12-15%, у топливных элементов этот коэффициент составляет 50%. КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они используются не на полную номинальную мощность, что является серьезным преимуществом по сравнению с двигателями на бензине.
Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность электростанции на топливных элементах можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет лучше приводить в соответствие спрос и предложение. Поскольку КПД блока топливных элементов определяется производительностью отдельных элементов, небольшие электростанции на топливных элементах работают также эффективно, как и большие. Кроме того, сбросное тепло от стационарных систем на топливных элементах может быть использовано на обогрев воды и помещений, еще более увеличивая эффективность использования энергии.
При использовании топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. При работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар. Так на космических кораблях астронавты пьют воду, которая образуется в результате работы бортовых топливных элементов. Состав выбросов зависит от природы источника водорода. При использовании метанола образуются нулевые выбросы оксидов азота и оксида углерода и только небольшие выбросы углеводорода. Выбросы увеличиваются по мере перехода от водорода к метанолу и бензину, хотя даже при использовании бензина уровень выбросов будет оставаться достаточно низким. В любом случае замена сегодняшних традиционных двигателей внутреннего сгорания на топливные элементы привела бы к общему снижению выбросов СО2 и оксидов азота.
Использование топливных элементов обеспечивает гибкость энергетической инфраструктуры, создавая дополнительные возможности для децентрализованного производства электроэнергии. Множественность децентрализованных источников энергии позволяет снизить потери при передаче электроэнергии и развить рынки сбыта энергии (что особенно важно для отдаленных и сельских районов, при отсутствии доступа к линиям электропередач). С помощью топливных элементов отдельные жители или кварталы могут сами обеспечить себя большей частью электроэнергии и таким образом значительно повысить эффективность ее использования.
Топливные элементы предлагают энергию высокого качества и повышенной надежности. Они долговечны, у них нет подвижных частей, и они производят постоянный объем энергии.
Однако технология топливных элементов нуждается в дальнейшем совершенствовании с тем, чтобы повысить их производительность, снизить затраты и, таким образом, сделать топливные элементы конкурентноспособными относительно других энергетических технологий. Следует отметить, что когда рассматриваются затратные характеристики энергетических технологий, сравнения должны проводиться на основе всех составляющих технологических характеристик, включая капитальные эксплуатационные расходы, выбросы загрязняющих веществ, качество энергии, долговечность, вывод из эксплуатации и гибкость.
Хотя водородный газ является наилучшим топливом, инфраструктуры или транспортной базы для него еще не существует. В ближайшей перспективе для обеспечения энергоустановок источниками водорода в виде бензина, метанола или природного газа могли бы использоваться существующие системы снабжения ископаемым топливом (газовые станции и т.д.). Это исключило бы необходимость создания специальных водородозаправочных станций, но потребовало бы, чтобы на каждом транспортном средстве был установлен преобразователь ("реформатор") ископаемого топлива в водород. Недостаток этого подхода состоит в том, что он использует ископаемое топливо и, таким образом, приводит к выбросам двуокиси углерода. Метанол, являющийся в настоящее время ведущим кандидатом, создает меньше выбросов, чем бензин, но он бы потребовал установки на автомобиле емкости большего объема, поскольку он занимает в два раза больше места при одинаковом энерго-содержании.
В отличие от систем снабжения ископаемым топливом, солнечные и ветровые системы (использующие электричество для создания водорода и кислорода из воды) и системы прямого фотопреобразования энергии (использующие полупроводниковые материалы или ферменты для производства водорода) могли бы обеспечивать снабжение водородом без этапа реформинга, и, таким образом, можно было бы избежать выбросов вредных веществ, что наблюдается при использовании метаноловых или бензиновых топливных элементов. Водород мог бы накапливаться и преобразовываться в электричество в топливном элементе по мере необходимости. В перспективе соединение топливных элементов с такого рода возобновляемыми источниками энергии, скорее всего, будет эффективной стратегией обеспечения продуктивным, экологически продуманным и универсальным источником энергии.
Рекомендации IEER заключаются в том, чтобы местные и федеральные власти, а также власти штатов часть своих закупочных бюджетов по транспортному хозяйству направляли на транспортные средства на топливных элементах, а также на стационарные системы на топливных элементах для обеспечения теплом и электричеством некоторых из своих существенных или новых зданий. Это будет способствовать развитию жизненно важной технологии и снижению выбросов парниковых газов.
Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.
Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO 3 2-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.
Реакция на аноде: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Реакция на катоде: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Общая реакция элемента: H 2 (g) + 1 / 2 O 2 (g) + CO 2 (катод) => H 2 O(g) + CO 2 (анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.
Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, "отравлению", и пр.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H 3 PO 4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H + , протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 => 4H + + 4e -
Реакция на катоде: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО 2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы "Джемини". Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.
Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О 2 -). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О 2 -). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.
Реакция на аноде: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Общая реакция элемента: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH 3 OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО 2 , ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Реакция на катоде: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Общая реакция элемента: CH 3 OH + 3 / 2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.
Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН -), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:
Реакция на аноде: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Реакция на катоде: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Общая реакция системы: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов - такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO 2 , который может содержаться в топливе или воздухе. CO 2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H 2 O и CH 4 , которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.
Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H 2 O + (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (C s HSO 4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO 4 2- позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
| Тип топливной элементы | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| РКТЭ | 550–700°C | 50-70% | Средние и большие установки | |
| ФКТЭ | 100–220°C | 35-40% | Чистый водород | Большие установки |
| МОПТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
| ТОТЭ | 450–1000°C | 45-70% | Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
| ПОМТЭ | 20-90°C | 20-30% | Метанол | Переносные установки |
| ЩТЭ | 50–200°C | 40-65% | Чистый водород | Космические исследования |
| ПЭТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.
Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элементвключает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента – это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.
Как работает электролизер?
Свет попадает в солнечный элемент, производя электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. Затем водород подают в топливный элемент, который производит электричество и зажигает лампу. Вот как очень простой электролизер делает водородный газ из воды.
Почему топливные элементы задерживаются так долго?
В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования в качестве электролита твердой полимерной мембраны, которая позволяет ионам двигаться через нее. Когда питание включено, вода расщепляется на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы кислорода. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному концу и рекомбинируют парами с образованием газообразного водорода. Аналогично, отрицательные ионы кислорода тянутся к положительной клемме и рекомбинируют парами, образуя кислородный газ.
- Батарея соединяет положительную клемму с отрицательной клеммой через электролит.
- В простом лабораторном эксперименте электролит может быть чистой водой.
В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр.,топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.
Четыре десятилетия спустя на наших улицах практически нет автомобилей на топливных элементах по разным причинам. Во-первых, мир ориентирован на производство бензиновых двигателей на миллион, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше тестируются и более надежны. Там также существует огромная экономия на нефтяной основе для поддержки бензиновых двигателей: везде есть гаражи, Может обслуживать бензиновые автомобили и автозаправочные станции по всему миру, чтобы снабжать их топливом. В отличие от этого, вряд ли кто-нибудь знает что-либо о топливных элементах автомобилей, и практически нет заправочных станций, снабжающих водород под давлением. «Водородная экономика» - далекая мечта.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа , который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.
Топливные элементы с гидроксидобменными мембранами
Легко понять, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас есть много электролизерных заводов по всему миру, создающих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше места , чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водородный газ в жидкий водород, что упростит транспортировку и хранение, сжимая его до высокого давления. водород к заправочным станциям, где люди могли перекачивать его в свои автомобили, которые будут питаться от топливных элементов вместо обычных бензиновых двигателей.
Принцип работы топливных элементов
Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.
Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород - на катод, начинается химическая реакция , в результате которой генерируются электрический ток , тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи , создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Производство водорода электролизом использует энергию - и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы используем типичные солнечные элементы для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективными, в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая жалкую общую эффективность всего на 5 процентов. Это довольно плохой старт - и это только начало!
Мы также используем энергию, транспортирующую водород, и сжимаем ее, чтобы автомобили могли переносить достаточно в своих резервуарах, чтобы идти куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии водорода составляет всего лишь около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы зайти так далеко. Другая проблема заключается в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что его чрезвычайно крошечный Молекулы легко просачиваются из большинства контейнеров, и поскольку водород горюч, утечки могут вызвать ужасные взрывы.
Ниже приведена соответствующая реакция:
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
Типы топливных элементов
Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения. Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород.
И тогда, конечно, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда автомобиль с топливным элементом превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, которые управляют его колесами. Водород не является чудесным источником энергии; Это просто энергетический носитель, как перезаряжаемая батарея, и это довольно неэффективный энергоноситель с целым куском практических дефектов.
Профессор Дэвид Маккей Устойчивая энергия без горячего воздуха. Водород не является само по себе топливом, а просто способом транспортировки топлива, произведенного каким-либо другим процессом. Так что лучше сравнить его с батареями, чем с бензином. Все сказал, что водородные автомобили сегодня значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей и часто менее эффективные, чем обычные бензиновые или дизельные двигатели! Мы могли бы использовать солнечные батареи для электролиза воды «бесплатно», но мы могли бы так же легко хранить одну и ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей.
Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять "внутреннее преобразование" топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.
Автомобили с топливными ячейками звучат многообещающе, но, если аккумуляторные батареи действительно лучше, водород может оказаться дорогостоящим отвлечением от важного бизнеса по переключению мира с ископаемых видов топлива на возобновляемые источники энергии.
Пока нефть не станет намного дороже, у автомобилистов будет мало стимулов или нет, чтобы переключиться на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть конкурентные технологии, которые могут остановить автомобили на топливных элементах. Мы можем придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но приводить их в действие с использованием биотоплива. Или может оказаться более эффективным создание электрических автомобилей с бортовыми батареями, которые вы заряжаете дома. Или, может быть, массовый переход на гибридные автомобили, работающие на бензиновых двигателях и электродвигателях, продлит мировые поставки нефти достаточно долго, чтобы мы могли придумать совершенно новую технологию - возможно, даже атомные автомобили!
Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ).
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.
Никто не знает, что ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль. Чем раньше мы примем альтернативы - электрические автомобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще, тем лучше. Есть также видео с тестовыми видеороликами некоторых современных автомобилей с водородным топливным элементом. Станции, способные выделять водород, как этот в Варшаве, растут в Европе, Северной Америке и Азии. Вы должны быть совершенно не заинтересованы в автомобилях или любом другом типе транспорта, чтобы не признать, что автомобили подвергаются серьезному переходу.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
Они больше не работают исключительно на двигателях внутреннего сгорания и сжигают топливо на основе нефти. В настоящее время потребители обычно покупают автомобили, которые частично или полностью работают на электричестве. За этим колоссальным сдвигом есть разные силы. Например, автомобили с электроприводом уменьшают выбросы загрязняющих веществ, которые ухудшают качество местного воздуха, а также выбросы углекислого газа, что вызывает значительные опасения по поводу изменения климата.
Еще одна причина в пользу автомобилей с электроприводом - это национальная безопасность. Достаточные запасы нефти находятся только в отдельных регионах мира. Поэтому страны, которые не имеют этих природных ресурсов, останутся в политическом и экономическом положении, если они будут продолжать использовать транспортные средства, которые сжигают бензин или дизельное топливо.
При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.
Последняя причина проистекает из того, что эксплуатационные источники нефти медленно заканчиваются. Как только общество достигнет точки, где производство не может справиться с спросом, цены будут стремительно расти. Поэтому неудивительно, что переход на электромобили ускоряется.
Использование топливных элементов в автомобилях
Электрические транспортные средства можно разделить на три группы. Наиболее распространенными сегодня, конечно же, являются гибриды, которые объединяют батареи, электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. Хотя эти транспортные средства обладают многими достоинствами, в частности высокой эффективностью, все, кроме гибридных гибридов , в конечном итоге используют всю свою энергию от нефтяных топлив.
Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа , что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.
Гибридные и аккумуляторные электромобили достаточно распространены сейчас, когда мне не нужно много говорить об их принципах работы. Электромобили на топливных элементах все еще редкость, поэтому позвольте мне более подробно описать, как они работают.
Вместо того, чтобы полагаться на сгорание, чтобы приводить в движение поршни, которые затем приводят в действие электрический генератор , как в гибридном автомобиле, автомобиль с топливным элементом использует электрохимию для непосредственного выработки электроэнергии. Это делается путем взятия сжатого газообразного водорода, хранящегося на борту, и объединения его с кислородом из воздуха. Продуктами реакции являются электричество для питания транспортного средства и воды, которая выгружается через выхлопную трубу вместе с азотом, который поступает в топливный элемент с воздухом.
Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, "отравлению", и пр.
Поскольку горения не происходит, избегают высоких температур и не образуются оксиды азота, вызывающие туман загрязняющие вещества от обычных транспортных средств . И поскольку вначале нет топлива для топлива, никакие углеводороды, монооксид углерода или диоксид углерода не выбрасываются из выхлопной трубы.
Кроме того, электромобиль с топливными элементами обладает исключительной эффективностью, более чем в три раза эффективнее современного бензинового автомобиля. Его диапазон и время заправки сопоставимы с диапазонами обычных автомобилей, его топливо может быть изготовлено различными путями, а его трансмиссия практически не производит вибрации.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).
Звучит привлекательно, не так ли? Возможно, вам интересно, как вы можете начать водить машину. Если вы находитесь в правильном месте, теперь можете. 
В Европе в настоящее время функционирует несколько десятков водородных заправочных станций, и программа под названием «Водородная мобильность в Европе» прилагает усилия для увеличения этого числа.
И оба используют рекуперативное торможение, ключевой энергосберегающий атрибут электромобилей. Там, где они принципиально отличаются друг от друга, это источник электроэнергии, время, необходимое для перезарядки или дозаправки, дальность действия и возможность увеличения размера транспортного средства. Рассмотрим сначала источник электричества.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах , по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция , низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы "Джемини". Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.
Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:
Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки . Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.
Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития . Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O
Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.
Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива , и отсутствие необходимости использования преобразователя.
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах "Аполлон" и "Спейс Шаттл". На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду . Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов , используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:
Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов - такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами , такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, H2O и CH4, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.
Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке.
Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.опубликовано
| Тип топливной элементы | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| РКТЭ | 550–700°C | 50-70% | Средние и большие установки | |
| ФКТЭ | 100–220°C | 35-40% | Чистый водород | Большие установки |
| МОПТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
| ТОТЭ | 450–1000°C | 45-70% | Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
| ПОМТЭ | 20-90°C | 20-30% | Метанол | Переносные установки |
| ЩТЭ | 50–200°C | 40-65% | Чистый водород | Космические исследования |
| ПЭТЭ | 30-100°C | 35-50% | Чистый водород | Малые установки |
Присоединяйтесь к нам в
Топливный элемент - что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!
Что такое топливный элемент?
Топливный элемент - это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.
История топливных элементов
История топливных элементов - это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.
Всё началось в 1839 году , когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название "топливный элемент" было подарено изобретению в год его юбилея - в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер - авторы термина.
Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».
Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК "Энергия"разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа "Буран" также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря - на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.
Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.
Принцип работы топливных элементов
Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.
Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) - на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:
2H 2 → 4H + + 4e -
где H 2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + - ионизированный водород (протон); е - - электрон.
С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка):
В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом - он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.
Характеристики топливных элементов
Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:
они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),
химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),
они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).
Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В . Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.
У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД , как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет порядка 35-38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80% ,
КПД почти не зависит от коэффициента загрузки ,
Ёмкость в несколько раз выше , чем в существующих аккумуляторах,
Полное отсутствие экологически вредных выбросов . Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).
Виды топливных элементов
Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:
по используемому топливу,
по рабочему давлению и температуре,
по характеру применения.
В целом, выделяют следующие типы топливных элементов :
Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells - SOFC);
Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);
Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell - RFC);
Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell - DMFC);
Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);
Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells - PAFC);
Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells - AFC).
Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.
Проблемы топливных элементов
Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия "упакованного" водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично - курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H 2 S (сероводород), которые отравляют катализатор.
Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл - платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.
Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло - производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.
Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение
Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:
Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.
Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона - до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.
Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол - достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.
За топливными элементами - будущее!
Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.
История
Первый элемент был сделан, кажется, из грифеля от русского (это важно) простого карандаша, а корпус был пробкой из-под пива. Все это подогревалось на кухонной плите. Электролитом был порошок "Диггер" для прочистки труб, состоящий из NaOH, если верить этикетке. Поскольку удалось получить какой-то ток, я подумал, что, наверное, такой элемент действительно может работать. Консервные банки начинали течь по швам (припой разъедался щелочью), и я даже не помню, какие результаты получились. Для более серьезного опыта купил жульенницу из нержавейки. Однако, с ней ничего не получилось. Мало того, что напряжение было всего 0,5 вольта, оно было еще и направлено не в ту сторону. Также выяснилось, что угольки от карандашей очень любят рассыпаться на составные части. Видимо, они сделаны не из цельного кристалла графита, а склеены из пыли. Та же судьба постигла стержни от пальчиковых батареек. Также были куплены щетки от каких-то электродвигателей, но у них быстро приходили в негодность места, где подводящий провод входит в щетку. К тому же, одна пара щеток, как оказалось, содержала медь или какой-то другой металл (с щетками это бывает).
Крепко почесав затылок, я решил, что для надежности лучше сделать сосуд из серебра, а уголек - по технологии, описанной Жако, т.е., спеканием. Серебро стоит умеренных денег (цены колеблются, но где-то порядка 10-20 рублей за грамм). Я встречал чай, который стоит гораздо дороже.
Известно, что серебро устойчиво в расплаве NaOH, в то время как железо дает ферраты, например, Na2FeO4. Поскольку вообще железо обладает переменной валентностью, то его ионы могут вызвать в элементе "короткое замыкание", во всяком случае, в теории. Поэтому я решил для начала проверить случай серебра, как более простой. Сначала была куплена мельхиоровая посеребреная ложка, и при испытании со щетками сразу получилось 0,9В открытой цепи с нужной полярностью, а также, довольно большой ток. Впоследствии (не практически, а теоретически) выяснилось, что серебро тоже может растворяться в щелочи в присутствии пероксида натрия Na2O2, который в некоторых количествах образуется при продувании воздуха. Будет ли это происходить в элементе или под защитой углерода серебро находится в безопасности - я не знаю.
Ложка прожила недолго. Серебряный слой вздулся и она прекратила работать. Мельхиор неустойчив в щелочи (как и большинство существующих на свете материалов). После этого я сделал специальный стаканчик из серебряной монеты, на котором и была получена рекордная мощность в 0,176 ватт.
Все это было проделано в обычной городской квартире, на кухне. Я ни разу крупно не обжегся, не устроил пожара и всего один раз пролил расплавленную щелочь на плиту (эмаль немедленно разъело). Инструмент был использован самый простой. Если получится узнать правильный вид железа и правильный состав электролита, то такой элемент сможет сделать на коленке каждый не совсем безрукий мужик.
В 2008 году выявилось несколько "правильных видов железа". Например, пищевая нержавейка, жесть консервных банок, электротехнические стали для магнитопроводов, а также низкоуглеродистые стали - ст1пс, ст2пс. Чем меньше углерода, тем лучше работа. Нержавейка, похоже, работает хуже чистого железа (она, кстати, и дороже намного). "Норвежское листовое" железо, оно же - Шведское - это железо, которое делалось кричным способом в Швеции на древесном угле и содержало не более 0,04% углерода. Сейчас такое низкое содержание углерода можно найти только в электротехнических сталях. Наверное, лучше всего делать стаканчики штамповкой из листовой электротехнической стали
Изготовление серебряного стаканчика
В 2008 году выяснилось, что железный стаканчик тоже работает хорошо, поэтому я убираю всё, что касается серебряного стаканчика. Это было интересно, но теперь уже неактуально.
Можно пытаться использовать графит. Но я не успел. Я выпросил
у тетеньки-водителя накладку для рогов троллейбуса, но это было уже в конце
моей экспериментальной эпопеи. Еще можно попробовать щетки от двигателей, но
они часто бывают с медью, что нарушает чистоту эксперимента. У меня было два
варианта щеток, одни оказались с медью. Карандаши не дают никакого результата,
потому что у них маленькая площадь поверхности и с них неудобно снимать ток.
Стержни от батарей в щелочи разваливаются
(что-то происходит со связующим). Вообще говоря, графит - это наихудшее топливо
для элемента, т.к. он наиболее химически стоек. Поэтому изготавливаем электрод
"по честному". Берем древесный уголь (я покупал в супермаркете березовый
уголь для шашлыков), мелется как можно мельче (я молол сначала в фарфоровой
ступке, потом купил кофемолку). В промышленности электроды делают из нескольких
фракций угля, смешивая их друг с другом. Ничто не мешает сделать так же. Порошок
подвергается обжигу для повышения электропроводности: его нужно на несколько
минут нагреть до как можно более высокой температуры (1000 и больше). Естественно,
без доступа воздуха.
Я для этого сделал горн из двух вложенных друг в друга консервных банок. Между ними для теплоизоляции навалены кусочки сухой глины. Дно обеих банок пробито, чтобы было куда дуть воздуху. Внутренняя банка насыпается углями (которые выполняют роль топлива), среди них помещается металлическая коробочка - "тигель", я ее тоже сворачивал из жести от консервной банки. В коробочку запихивается завернутый в бумажный кулек угольный порошок. Должен быть зазор между свертком с углем и стенками "тигля". Он засыпается песком, чтобы не было доступа воздуха. Угли поджигаются, затем сквозь дырки в дне производится наддув обычным феном. Все это достаточно пожароопасно - летят искры. Нужны защитные очки, а также нужно смотреть, чтобы рядом не было занавесок, бочек с бензином и других пожароопасных предметов. Лучше бы, по хорошему, делать такие дела где-нибудь на зеленой лужайке в период дождей (в перерыве между дождями). Извините, но мне лень рисовать всю эту конструкцию. Думаю, догадаетесь и без меня.
Далее к обожженому порошку на глаз добавляется некоторое количество
сахара (наверное, от трети до половины). Это - связующее. Потом - чуть-чуть
воды (когда у меня были грязные руки и лень было открывать кран, я просто плевал
в него и добавлял пиво вместо воды, не знаю, насколько это имеет значение; вполне
возможно, что органика важна. Все это тщательно перемешивается в ступке. В результате
должна получиться пластичная масса. Из этой массы нужно сформовать электрод.
Чем лучше ты его спрессуешь, тем лучше. Я брал заглушенный кусок трубки и забивал
уголь в трубку меньшей трубкой, с помощью молотка. Чтобы изделие не развалилось
при извлечении из трубки, перед набивкой в трубу вставлял несколько ободков
из бумаги. Заглушка должна быть сьемной, а еще лучше - если труба будет распилена
вдоль и соединена хомутами. Тогда после прессовки можно просто разьединить хомуты
и достать заготовку уголька в целости и сохранности. В случае сьемной заглушки
нужно будет выдавить готовую заготовку из
трубы (при этом она может развалиться). Уголек у меня имел диаметр 1,2-1,5 см
и длину 4-5 см.
Готовая форма сушится. Для этого я включал газовую плиту на очень маленький огонь, ставил на нее пустую консервную банку кверху дном и на дно клал уголек. Сушка должна быть достаточно медленной, чтобы пары воды не разорвали заготовку. После испарения всей воды начнет "кипеть" сахар. Он превратится в карамель и склеит кусочки угля между собой.
После остывания нужно просверлить в угольке продольное (вдоль
его оси симметрии) круглое отверстие, в которое будет вставляться отводящий
электрод. Диаметр отверстия - не помню, кажется, 4 мм. При этой процедуре уже
может все накрыться, потому что конструкция хрупкая. Я сначала сверлил 2 мм
сверлом, потом аккуратно (вручную) расширял 3-мм и 4-мм сверлами, или даже надфилем,
точно не помню. В принципе, можно эту дырку сделать уже на этапе формовки. Но
это -
нюансы.
После того, как все высушено и просверлено, нужно произвести
обжиг. Общий смысл - нужно при достаточно плавном наборе температуры подвергнуть
уголек сильному и равномерному нагреву без доступа воздуха на некоторое время
(около 20 минут). Нагревать нужно постепенно, остужать - тоже. Температура -
чем выше, тем лучше. Желательно, больше 1000. У меня было
оранжевое (ближе к белому) каление железа в импровизированном горне. Промышеленные
электроды обжигают много суток, с очень плавным подводом-отводом теплоты. Ведь
это, по сути - керамика, которая хрупка. Гарантировать, что уголек не треснет,
я не могу. Я все делал на глаз. Некоторые угольки трескались сразу при начале
эксплуатации.
Итак, уголек готов. Он должен иметь как можно меньшее сопротивление. При измерении сопротивления нужно не прикасаться к угольку иглами тестера, а взять два многожильных провода, прислонить их к сторонам уголька (не к концам стержня, а просто по диаметру) и сильно прижать пальцами (только чтобы не треснул), см. рисунок, на рисунке розовая аморфная масса - это пальцы, сжимающие жилы проводов.
Если сопротивление - 0.3-0.4 ома (это было на грани чувствительности моего тестера), то это - хороший уголек. Если больше 2-3 ом, то плохой (удельная мощность будет маленькая). Если уголек не удался, можно повторить обжиг.
После того, как сделали обжиг, делаем отводящий электрод. Это
- полоска серебра или железа - 2008 год
длиной, равной двукратной или чуть меньше длине уголька,
шириной - два диаметра отверстия. Толщина - допустим, 0,5 мм. Из нее нужно свернуть
цилиндр, внешний диаметр которого равен
диаметру отверстия. Но цилиндр не получится, потому что ширина слишком мала,
получится цилиндр с продольной прорезью. Эта прорезь важна, для компенсации
теплового расширения. Если сделать полный цилиндр, то серебро при нагреве разорвет
уголек.
"Цилиндр" вставляем в уголек. Нужно сделать так, чтобы он плотно входил
в дырку. Здесь есть две стороны: чрезмерное усилие разорвет уголек, при слабом
усилии не будет достаточного контакта (он очень важен). См. рисунок.
Эта конструкция родилась не сразу, она представляется мне более совершенной, чем те хомуты, которые нарисованы в патенте у Жако. Во-первых, при таком контакте ток идет не вдоль, а по радиусу цилиндрического уголька, что позволяет существенно снизить электрические потери. Во-вторых, металлы имеют больший коэффициент теплового расширения, чем уголь, поэтому контакт угля с металлическим хомутом ослабевает при нагреве. В моем случае контакт упрочняется или сохраняет свою силу. В-третьих, если отводящий электрод сделан не из серебра, то уголь предохраняет его от окисления. Скорее дайте мне патент!
Теперь можно еще раз померять сопротивление, одним из полюсов будет токоотводящий электрод. Кстати, у моего тестера 0.3 ома - это уже предел чувствительности, поэтому лучше пропустить ток известного напряжения и померять его силу.
Подача воздуха
Берем стальной стерженек от шариковой ручки большой емкости. Желательно - пустой. Удаляем из него блок с шариком - остается просто железная трубочка. Тщательно удаляем остатки пасты (у меня это не очень хорошо получилось и паста потом обуглилась, что мешало жить). Сначала это делается водой, а потом лучше все же несколько раз прокалить стерженек в пламени горелки. Произойдет пиролиз чернил, после этого останется уголь, который можно выковырять.
Далее находим какую-то еще трубку, чтобы соединить этот стерженек (он будет раскален) с ПВХ-шной трубкой, ведущей от аквариумного компрессора, которым кондиционируют рыбок. Все должно быть достаточно герметично. На ПВХ-шную трубку ставим регулируемый зажим, потому что даже самый хилый компрессор дает слишком много воздуха. В идеале нужно сделать серебряную, а не стальную трубку и у меня это даже получилось, но я не смог обезпечить герметичное соединение серебряной трубки с ПВХ-шной. Промежуточные трубки сильно травили воздух (из-за тех же тепловых зазоров), поэтому в итоге я остановился на стальном стерженьке. Конечно, эта проблема разрешима, но нужно просто было потратить на это время и силы и подобрать соответствующую ситуации трубку. Вообще, в этой части я сильно отступил от патента Жако. Сделать такую розочку, как нарисована у него, я не смог (а если честно, то я тогда недостаточно хорошо рассмотрел ее конструкцию).
Здесь следует сделать небольшое отступление и обсудить, насколько неправильно Жако представлял работу своего элемента. Очевидно, что кислород переходит в ионную форму где-то на катоде, по формуле O2+4e-=2O2-, либо какая-то аналогичная реакция, где кислород восстанавливается и соединяется с чем-то. То есть, важно обезпечить тройное соприкосновение воздуха, электролита и катода. Это может происходить при контакте пузырьков воздуха с металлом распылителя и электролитом. То есть, чем больше суммарный периметр всех отверстий распылителя, тем больше должна быть сила тока. Также, если сделать стаканчик с наклонными краями, то поверхность тройного соприкосновения тоже может увеличиться, см. рис.
Другой вариант - это когда на катоде восстанавливается растворенный кислород. В этом случае, площадь тройного соприкосновения не имеет особого значения, а нужно лишь максимизировать площадь поверхности пузырьков, чтобы ускорить растворение кислорода. Правда, в этом случае непонятно, почему растворенный кислород не окисляет уголь непосредственно, без электрохимической реакции (работая "мимо" электрической цепи). Видимо, в этом случае важны каталитические свойства материала стаканчика. Ну ладно, это все лирика. В любом случае, нужно делить струю на мелкие пузырьки. Те попытки сделать это, которые я предпринимал, не были особо успешными.
Для этого нужно было сделать тонкие отверстия, с которыми получилась куча проблем.
Во-первых, тонкие отверстия быстро засоряются, т.к. железо корродирует,
ржавчина и остатки угля (вспомним, что там когда-то была паста от ручки) выпадают
из стерженька и затыкают отверстия.
Во-вторых, отверстия получаются неравной величины и сложно заставить воздух
идти одновременно из всех отверстий.
В-третьих, если два отверстия находятся рядом, то возникает нехорошая тенденция
слияния пузырьков еще до их отрыва.
В-четвертых, компрессор подает воздух неравномерно и это тоже как-то влияет
на размер пузырьков (видимо, выскакивает один пузырек за один толчок). Все это
можно легко наблюдать, налив в прозрачную банку воду и испытав распылитель в
ней. Конечно, у щелочи другая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения,
поэтому придется действовать наугад. Я так и не смог победить эти проблемы и
плюс к этому, проблему утечек воздуха из-за тепловых зазоров. Из-за этих утечек
распылитель не мог начать работать, поскольку для этого нужно преодолеть силы
поверхностного натяжения. Как раз тут полностью проявились недостатки хомутов.
Как их не затягивай, при нагреве они все равно ослабевают. В итоге, я перешел
к простейшему распылителю из стерженька от шариковой ручки, который давал только
одну струю пузырьков. Видимо, чтобы сделать это по-нормальному, нужно тщательно
избавиться от утечек, подавать воздух под существенным давлением (больше, чем
создаваемое аквариумным компрессором) и через мелкие отверстия.
Эта часть конструкции у меня проработана откровенно плохо...
Сборка
Все. Собираем все вместе. Нужно так все установить на зажимах,
чтобы
1. Не было короткого замыкания через несущую конструкцию.
2. Уголек не касался трубки, вдувающей воздух, а также стенок
стаканчика. Это будет трудно, поскольку зазоры малы, зажимы хлипки, а при работе
элемента щелочь будет булькать. Также будет действовать архимедова сила, которая
будет все смещать куда не надо, и сила поверхностного натяжения, притягивающая
уголек к другим предметам. Серебро станет мягким от нагрева. Поэтому, в итоге,
я держал уголек пассатижами за конец отводящего электрода. Это было плохо. Для
нормальной работы нужно все же сделать крышку (видимо, только из фарфора - глина
размокает в щелочи и теряет прочность, может быть, можно обожженую глину использовать).
Идея о том, как сделать эту крышку, есть в патенте Жако. Главное, что она должна
довольно хорошо удерживать уголек, т.к. даже при небольшом перекосе он будет
касаться стаканчика у дна. Для этого она должна иметь большую высоту. Подобрать
такую фарфоровую крышку мне не удалось, сделать керамическую из глины - тоже
(все, что я пытался делать из глины - быстро трескалось, видимо, я как-то не
так обжигал). Единственная небольшая хитрость состоит в том, чтобы использовать
металлическую крышку и слой путь даже плохо обожженной глины в качестве теплоизоляции.
Этот путь тоже не так прост.
Короче говоря, конструкция элемента была у меня тоже никуда не годной.
Еще неплохо заготовить инструмент, которым можно будет достать кусок уголька, который может отвалиться от электрода и упасть в щелочь. Может отвалиться кусок уголька и упасть в щелочь, тогда будет короткое замыкание. У меня в качестве такого инструмента была гнутая стальная скрепка, которую я держал пассатижами. Подводим провода - один к ручке, другой - к отводящему электроду. Можно припаять, хотя я использовал две металлических пластинки и свинчивал их винтиками (все - от детского металлического конструктора). Главное - понимать, что вся конструкция работает при низком напряжении и все соединения должны быть сделаны хорошо. Измеряем сопротивление при отсутствии электролита между электродами - убеждаемся, что оно велико (хотя бы 20 Ом). Измеряем сопротивления всех соединений - убеждаемся, что они малы. Собираем схему с нагрузкой. Например, сопротивление 1 Ом и последовательно включенный амперметр. У тестеров низкое сопртоивление амперметра бывает только в режиме измерения единиц ампер, желательно это заранее выяснить. Можно либо включить в режим изменения единиц ампер, (ток получится от 0.001 до 0.4 А), либо вместо последовательно включенного амперметра включить параллельно вольтметр (напряжение будет от 0.2 до 0.9 В). Желательно предусмотреть возможность менять условия в ходе опыта, чтобы замерять напряжение раскрытой цепи, ток короткого замыкания и ток с нагрузкой 1 ом. А лучше, если сопротивление тоже можно менять: 0.5 ом, 1 Ом и 2 Ом, чтобы найти то, при котором будет достигнута максимальная мощность.
Включаем компрессор от аквариума и заворачиваем зажим, чтобы воздух шел еле-еле (а, кстати, работоспособность подводящего трубопровода нужно проверить, погружая его в воду. Поскольку плотность щелочи - 2,7, нужно погрузить на соответствующую большую глубину. Полная герметичность не обязательна, главное, чтобы и на такой глубине из конца трубки что-то булькотило.
Меры предосторожности
Далее идет работа с расплавом щелочи. Как бы объяснить, что такое расплав щелочи? Вам попадало в глаза мыло? Неприятно, правда? Так вот, расплав NaOH - это тоже мыло, только разогретое до 400 градусов и в сотни раз более едкое.
Защитные меры при работе с расплавом щелочи строго обязательны!
Прежде всего, строго необходимы хорошие защитные очки . Я близорук, поэтому я одевал двое очков - сверху пластиковые защитные, а под них еще и стеклянные. Защитные очки должны защищать от попадания брызг не только спереди, но и сбоку. В такой амуниции я чувствовал себя в безопасности. Несмотря на защитные очки, приближать лицо к аппарату не рекомендуется вовсе.
Кроме глаз, необходимо защитить и руки. Я все делал очень аккуратно, поэтому под конец уже "замастерился" и работал в футболке. Это полезно, поскольку попадающие иногда на руки мельчайшие брызги щелочи дают ожег, не позволяющий в течение нескольких дней забыть, с каким веществом имеешь дело.
Но на руках, естественно, были перчатки. Сначала резиновые хозяйственные (не самые тонкие), а поверх них - пупырчатые тряпичные пупырышки торчали с задней стороны ладони. Их я смачивал водой, чтобы можно было браться за горячие предметы. В такое паре перчаток руки более-менее защищены. Но нужно следить, чтобы внешние перчатки никогда не были слишком мокрые. Капля воды, попадающая в электролит, мгновенно закипает, при этом электролит очень здорово разбрызгивается. Если такое произошло (а такое у меня происходило раза три), возникают проблемы с органами дыхания. В этих случаях я немедленно задерживал дыхание, не завершая вдох (каякерская практика помогает не впадать в панику в таких ситуациях), и сваливал из кухни подобру-поздорову.
Вообще, для защиты органов дыхания нужна хорошая вентиляция при проведении опыта. В моем случае это был просто сквозняк (дело было летом). Но в идеале это должна быть вытяжка или открытый воздух.
Поскольку брызги щелочи неизбежны, все, что находится в ближайшей окрестности стаканчика, покрывается щелочью в той или иной степени. Если взяться за нее голыми руками, можно получить ожег. Нужно все промывать после завершения опыта, в том числе, перчатки.
Еще на случай ожега у меня всегда была рядом заготовлена емкость с водой и емкость с разбавленным уксусом, для нейтрализации щелочи при сильном ожоге. Уксус ни разу не пригодился, к счастью и я не могу сказать, стоит ли им пользоваться вообще. В случае ожега нужно сразу смывать щелочь большим количеством воды. Еще есть народное средство от ожегов - моча. Оно, вроде бы, тоже помогает.
Собственно работа с элементом
Насыпаем в стаканчик сухой NaOH (я покупал средство "Диггер"
для прочистки труб). Можно добавить MgO и другие ингредиенты, например, CaCO3
(зубной порошок или мел) или MgCO3 (у меня был MgO, добытый друзьями). Поджигаем
горелку и греем. Поскольку NaOH крайне гигроскопичен, нужно это делать сразу
(а пакетик с NaOH - плотно закрывать). Неплохо бы сделать так, чтобы стаканчик
был окружен теплом со всех сторон - ток ОЧЕНЬ сильно зависит от температуры.
Т.е., сделать импровизированную камеру сгорания и направить в нее пламя горелки
(нужно еще следить, чтобы баллончик у горелки не взорвался, по-моему эти горелки
достаточно плохо сделаны с этой точки зрения, как я уже писал, для этого нужно,
чтобы горячие газы не попадали на баллончик, и лучше держать его в нормальном
положении, а не "кверх ногами").
Иногда оказывается удобным подводить пламя горелки сверху, но это - уже после
того, как все расплавится. Тогда одновременно греется нагнетательная трубка,
отводящий электрод (и уголек через него), верх стакана, где больше всего воздушных
пузырьков). Если мне память не изменяет, самый большой результат был получен
именно таким образом.
Через какое-то время щелочь начнет плавиться и ее объем уменьшится. Нужно подсыпать
порошка, так, чтобы стаканчик был заполнен на 2/3 по высоте (щелочь будет утекать
из-за каппилярности и разбрызгивания). Труба подачи воздуха у меня работала
плохо (из-за теплового расширения зазоры и неплотности увеличатся, а из-за хорошего
теплоотвода щелочь в ней может застывать). Иногда воздух вообще переставал поступать.
Чтобы это исправить, я делал следующее:
1. Продув. (временное аккуратное увеличение подачи воздуха)
2. Подьем. (меньше будет напор и воздух вытеснит столб щелочи из
трубы)
3. Прогрев (достать из стаканчика и прогреть горелкой, чтобы щелочь внутри распылителя
расплавилась).
Вообще, элемент начинает хорошо работать при температуре красного каления
(щелочь начинает светиться). При этом начинает идти пена (это CO2), и раздаются
хлопки со вспышками (то ли это водород, то ли CO догорает, я так и не понял).
Мне удалось добиться максимальной мощности 0,025 вт/см2 или 0,176 вт всего с
элемента, при сопротивлении нагрузки в 1,1 Ома. При этом я измерял ток амперметром.
А можно было измерять и падение напряжения на нагрузке.
Вырождение электролита
В элементе происходит нехорошая побочная реакция
NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.
Т.е., через какое-то время (десятки минут) все застынет (температура плавления
соды - не помню, но около 800). Некоторое время это можно преодолевать, подсыпая
еще щелочи, но в конце концов все равно - электролит застынет. По поводу борьбы
с этим - см. другие страницы на этом сайте, начиная со страницы
об УТЭ Вообще говоря, можно использовать NaOH, невзирая на эту проблему,
о чем и писал Жако в своем патенте. Поскольку есть способы получения NaOH из
Na2CO3. Например, вытеснение негашеной известью по реакции Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3,
после чего CaCO3 можно прокалить и получится опять CaO. Правда, такой способ
очень энергоемок и общий КПД элемента при этом упадет очень сильно, да и сложность
увеличится. Поэтому, я думаю, что все же нужно искать стабильный состав электролита,
который нашли в SARA. Вполне возможно, что это можно сделать, найдя заявки SARA
на патенты в базе патентного ведомства США (http://www.uspto.gov),
тем более, что за прошедшее время они могли стать уже выданными патентами. Но
у меня руки пока не дошли. Собственно, и сама эта идея появилась лишь в ходе
подоготовки этих материалов. Видимо, скоро я все же это сделаю.
Итоги, мысли и выводы
Тут я, может быть, немного повторюсь. Можно начинать не с серебра, а сразу
с железа. Когда я пробовал использовать жульенницу
из нержстали, у меня получилось плохо. Теперь я понимаю, что первая причина
этого - низкая температура и большой зазор между электродами. В своей статье
Jacques пишет, что плохая работа с железом связана с тем, что к железу пригорает
масло и образуется второй угольный электрод, поэтому нужно очень тщательно очистить
железо от малейших следов масла, а также использовать железо
с низким содержанием углерода. Может быть, и так, но я все же думаю, что есть
еще одна, более важная причина. Железо - элемент переменной валентности. Оно
растворяется и образует "короткое замыкание". В пользу этого говорит
и изменение цвета. При использовании серебра цвет электролита не меняется (серебро
- самый устойчивый металл к действию расплавленных щелочей). При
использовании железа электролит становится коричневым. При использовании серебра
напряжение открытой цепи достигает 0.9В и выше. При использовании железа - существенно
меньше (не помню точно, но не более 0.6В) Насчет того, какое железо нужно использовать,
чтобы все хорошо работало - есть на других страницах. Еще немного - насчет водяного
пара, о котором пишет SARA. С одной стороны, он всем хорош (в теории): не дает
железу переходить в раствор (известна реакция разложения ферратов щелочных металлов
горячей водой, что-то типа Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) и вроде бы должен сдвигать
равновесие в нехорошей побочной реакции. Я посмотрел термодинамику реакции NaOH+CO2=Na2CO3+H2O
с помощью он-лайн программы F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php)
При всех температурах равновесие в ней очень сильно сдвинуто вправо, т.е., вода
вряд ли может существенно вытеснить углекислый газ из соединения с окисью натрия.
Возможно, что ситуация меняется в сплаве NaOH-Na2CO3, либо образуется как бы
водный раствор, но я не знаю, как это выяснить. Думаю, что в данном случае практика
- критерий истины.
Основное, с чем можно столкнуться при проведении опытов с паром - это конденсация. Если где-то по дороге от места ввода воды в воздушную магистраль температура любой стенки упадет ниже 100С, вода может сконденсироваться, а потом с током воздуха попасть в щелочь в виде капельки. Это очень опасно и нужно этого изо всех сил избегать. Особенно опасно то, что температуру стенок не так легко промерить. Сам я ничего с паром делать не пробовал.
Вообще, конечно, нужно проводить такие работы не в квартире, а, как минимум, на даче, и делать сразу элемент большего размера. Для этого, естественно, понадобится больший горн для обжига, большая "печка" для подогрева элемента, больше исходных материалов. Зато будет гораздо более удобно работать со всеми деталями. Особенно это касается устройства самого элемента, который у меня не имел крышки. Сделать большую крышку - гораздо проще, чем маленькую.
Насчет серебра. Серебро, конечно, стоит не так уж дешево. Но если делать серебряный электрод достаточно тонким, то элемент с серебром может стать рентабельным. Например, пусть удалось сделать электрод толщиной 0,1мм. При пластичности и ковкости серебра это будет легко (серебро можно протягивать сквозь валки в очень тонкую фольгу и я даже хотел это делать, но не нашлось валков). При плотности около 10г/см^3, один кубический сантиметр серебра стоит примерно 150 рублей. Он даст 100 квадратных сантиметров поверхности электрода. Можно получить и 200см^2, если взять два плоских уголька и расположить серебряную пластинку между ними. При достигнутой мной удельной мощности в 0,025вт/см^2, получается мощность в 5 ватт или 30 рублей за ватт, или 30.000 рублей за киловатт. Ввиду простоты конструкции, можно ожидать, что остальные компоненты киловаттного элемента (печка, воздушный насос) будут существенно дешевле. Корпус при этом можно сделать из фарфора, который относительно стоек к расплаву щелочи. В результате получится не слишком дорого, даже по сравнению с бензоэлектростанциями малой мощности. А уж солнечные батареи с ветряками и термоэлектрогенераторами отдыхают далеко позади. Чтобы еще сильно снизить цену, можно попытаться сделать сосуд из посеребренной меди. В этом случае, слой серебра будет еще в 100-1000 раз тоньше. Правда, мои опыты с мельхиоровой ложкой закончились неудачно, так что неясно, насколько серебряное покрытие окажется стойким. То есть, даже использование серебра открывает довольно неплохие перспективы. Единственное, что может тут оказаться неудачным - это если серебро будет недостаточно стойким.
Еще о материалах корпуса. Якобы, при работе элемента большое значение имеют пероксиды натрия, например, Na2O2, который должен возникать при продуве воздуха в NaOH. При высокой температуре пероксид разъедает практически все вещества. Проводились опыты по измерению потери веса тиглями из различных материалов, в которых содержался расплав пероксида натрия. Самым стойким оказался цирконий, за ним - железо, затем никель, затем фарфор. Серебро не попало в четверку лидеров. К сожалению, не помню точно, насколько серебро устойчиво. Там еще было написано про хорошую стойкость Al2O3 и МgO. Но второе место, которое занимает железо, вселяет оптимизм.
Вот, собственно, и все.
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 .
Восемь лет назад в Западной Европе было открыто шесть жидких дизельных насосов; они должны быть двести до конца. Мы далеки от тысяч быстрых зарядных терминалов, которые вылупляются повсюду, чтобы стимулировать распространение электрического движения. И вот где руб болит. И мы лучше объявляем графена.
Батареи не сказали свое последнее слово
Это больше, чем автономия, поэтому ограничение времени зарядки замедляет распространение электромобиля. Тем не менее, он напомнил в этом месяце записку, адресованную его клиентам, о том, что батареи имеют ограничение, ограниченное этим типом зонд при очень высоком напряжении. Томасу Брачману расскажут, что по-прежнему необходимо построить сеть распределения водорода. Аргумент, что он подметает руку, напомнив, что умножение терминалов быстрого заряда также очень дорого, из-за высокого сечения высоковольтных кабелей меди. «Легче и дешевле транспортировать сжиженный водород на грузовиках из захороненных танков возле производственных площадок».
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.
Водород еще не является чистым вектором электричества
Что касается стоимости самой батареи, которая является очень чувствительной информацией, Томас Брахманн не сомневается, что ее можно значительно снизить по мере повышения эффективности. «Платина - это элемент, который стоит Дороже». К сожалению, почти весь водород образуется из ископаемых источников энергии. Тем более, что дигидроген - это всего лишь вектор энергии, а не источник, из которого во время его производства потребляется не пренебрежимая часть, его сжижение, а затем его преобразование в электричество.
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.
Машина будущего ведет себя как настоящая
Баланс аккумуляторной батареи примерно в три раза выше, несмотря на потери из-за нагрева в драйверах. Увы, чудо-автомобиль не будет пробивать наши дороги, кроме как в рамках публичных демонстраций. Брахманн, который напоминает, что естественная тишина электрического автомобиля усиливает впечатление жизни в шумном мире. Несмотря на все трудности, педаль рулевого управления и тормоза обеспечивает естественную консистенцию.
Миниатюрная батарея, но улучшенная производительность
Гаджет заметен, центральный экран рассеивает изображения камеры, размещенной в правом зеркале, как только активируется сигнал поворота. Большинство наших американских клиентов больше не требуют, и это позволяет сдерживать цены, - оправдывает главного инженера, который предлагает более низкий тариф, чем. В действительности стоит говорить о батарее топливных элементов, так как есть 358, которые работают вместе. Главный резервуар вместимостью 117 литров, прижатый к задней стенке скамьи, запрещает складывать его, а второй - 24 литра, скрывается под сиденьем.
Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:
- увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),
- расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),
- отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,
- надежность при холодном пуске,
- практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),
Первый двухтактный топливный элемент
Несмотря на свою компактность, этот новый топливный элемент превращает дигидроген в электрический ток быстрее и лучше, чем его предшественник. Он поставляет элементы сваи в кислород со скоростью, ранее считавшейся несовместимой с их долговечностью. Избыточную воду, которая раньше ограничивала скорость потока, лучше всего эвакуировать. В результате мощность на элемент увеличивается наполовину, а эффективность достигает 60%.
Это объясняется наличием литиево-ионной батареи 1, 7 кВтч - расположенной под передними сиденьями, что позволяет доставлять дополнительный ток при сильных ускорениях. Либо автономия прогноза 460 км, идеально соответствует тому, что заявляет производитель.
- 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,
Но тысяча деталей облегчает поток воздуха и оптимизирует охлаждение. Даже больше, чем его предшественник, этот электрический автомобиль демонстрирует, что топливный элемент находится в центре внимания. Большой вызов для промышленности и наших лидеров. Между тем, очень умно, кто будет знать, кто из топливного элемента или батареи будет преобладать.
Топливный элемент представляет собой устройство преобразования электрохимической энергии, которое может вырабатывать электричество в виде постоянного тока путем комбинирования топлива и окислителя в химической реакции с получением отходов, как правило, топливного оксида.
- длительный срок службы,
- экологичность и бесшумность работы.
Системы энергоснабжения на основе водородных топливных элементов для БПЛА:
Установка топливных элементов на беспилотные аппараты вместо традиционных аккумуляторов кратно увеличивает продолжительность полета, вес полезной нагрузки, позволяет повысить надежность летательного аппарата, расширить температурный диапазон запуска и работы БПЛА, снизив границу до -40 0С. По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, системы на основе топливных элементов бесшумны, не дают вибраций, работают на низких температурах, сложно детектируются во время полета, не продуцируют вредных выбросов и позволяют эффективно выполнять задачи от видеонаблюдения до доставки полезных грузов.
Каждый топливный элемент имеет два электрода, один из которых положительный, а другой - отрицательный, а реакция, которая производит электричество, происходит на электродах в присутствии электролита, который переносит заряженные частицы от электрода к электроду, Пока электроны циркулируют во внешних проводах, расположенных между электродами для создания электричества.
Топливный элемент может генерировать электроэнергию непрерывно, пока поддерживается необходимый поток топлива и окислителя. Некоторые топливные элементы производят всего несколько ватт, в то время как другие могут производить несколько сотен киловатт, в то время как меньшие батареи, вероятно, будут найдены в ноутбуках и сотовых телефонах, но топливные элементы слишком дороги, чтобы стать Малые генераторы использовали для производства электроэнергии для домов и предприятий.
Состав системы энергоснабжения для БПЛА:
Экономические размеры топливных элементов
Использование водорода в качестве источника топлива влечет за собой значительные расходы. По этой причине водород сейчас является неэкономическим источником, в частности потому, что могут использоваться другие менее дорогие источники. Затраты на производство водорода могут варьироваться, поскольку они отражают стоимость ресурсов, из которых он извлекается.
Источники топлива для батарей
Топливные элементы обычно классифицируются в следующих категориях: водородные топливные элементы, органические топливные элементы, металлические топливные элементы и окислительно-восстановительные батареи. Когда водород используется в качестве источника топлива, химическая энергия преобразуется в электричество во время процесса обратного гидролиза, чтобы дать только воду и тепло в виде отходов. Водородный топливный элемент очень низок, но может быть более или менее высоким при производстве водорода, особенно если он производится из ископаемого топлива.
- - батарея топливных элементов,
- - буферный аккумулятор Li-Po для покрытия краткосрочных пиковых нагрузок,
- - электронная система управления ,
- - топливная система в составе баллона с компримированным водородом или твердого источника водорода.
В топливной системе применяются высокопрочные легкие баллоны и редукторы для обеспечения максимального запаса сжатого водорода на борту. Допускается использование различных типоразмеров баллонов (от 0.5 до 25 литров) с редукторами, обеспечивающими необходимый расход водорода.
Водородные батареи делятся на две категории: низкотемпературные и высокотемпературные батареи, где высокотемпературные батареи могут также использовать органическое топливо непосредственно. Последние состоят из углеводородов, таких как нефть или бензин, спирт или биомасса.
Другие источники топлива в батареях включают, но не ограничиваются ими, спирты, цинк, алюминий, магний, ионные растворы и многие углеводороды. Другие окислители включают, но не ограничиваются ими, воздух, Хлор и диоксид хлора. В настоящее время существует несколько типов топливных элементов.
Характеристики системы энергоснабжения для БПЛА:
Портативные зарядные устройства на основе водородных топливных элементов:
Портативные зарядные устройства на основе водородных топливных элементов - это компактные устройства, по своей массе и габаритам сопоставимые с существующими и активно применяемыми в мире аккумуляторными зарядными устройствами.
Повсеместно применяемая портативная техника в современной мире регулярно нуждается в подзарядке. Традиционные портативные системы практически бесполезны при отрицательных температурах, а после выполнения своей функции также требуют перезарядки с применением (электрических сетей), что также снижает их эффективность и автономность устройства.
На каждой молекуле дигидрогена появляются 2 электрона. Ион Н переходит от анода к катоду и вызывает электрический ток при переносе электрона. Что может выглядеть топливные элементы для самолетов? Сегодня испытания проводятся на самолетах, чтобы попытаться летать на них с использованием литиево-ионного гибридного аккумулятора с топливным элементом. Истинный прирост топливного элемента заключается в малом весе целостность: она легче, что способствует уменьшению массы самолета и, следовательно, расхода топлива.
Но пока что летать на самолете с топливными элементами невозможно, потому что у него все еще есть много недостатков. Изображение топливного элемента. Каковы недостатки топливного элемента? Прежде всего, если бы водород был распространен, его использование в больших количествах было бы проблематичным. Действительно, он доступен не только на Земле. Он содержится в кислородсодержащей воде, аммиаке. Поэтому необходимо провести электролиз воды для его получения, и это еще не широко распространенный метод.
Системы на базе водородных топливных элементов требуют лишь замены компактного топливного картриджа, после чего устройство немедленно готово к работе.
Характеристики портативных зарядных устройств:
Источники бесперебойного питания на основе водородных топливных элементов:
Системы гарантированного электропитания на водородных топливных элементах предназначены для организации резервного электропитания и временного электропитания. Системы гарантированного электропитания на на водородных топливных элементах предполагают значительные преимущества по сравнению с традиционными решениями по организации временного и резервного энергообеспечения, с применением аккумуляторных батарей и дизель-генераторов.
Водород - это газ, поэтому его трудно содержать и транспортировать. Другой риск, связанный с использованием водорода, - это риск взрыва, поскольку он является легковоспламеняющимся газом. то, что поставляет батарею для ее производства в больших масштабах, требует другого источника энергии, будь то нефть, газ или уголь, или ядерная энергия, что делает ее экологический баланс значительно хуже, чем керосина и сделать кучу, платину, металл, который еще реже и дороже золота.
Топливный элемент обеспечивает энергию за счет окисления топлива на аноде и восстановления окислителя на катоде. Открытие принципа топливного элемента и первые реализации в лаборатории с использованием серной кислоты в качестве электролита приписывают химику Уильяму Гроуву.
Характеристики системы бесперебойного питания:
Топливный элемент – это электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Действительно, топливные элементы имеют некоторые преимущества: те, которые используют дигидроген и диоксид, только выделяют водяной пар: поэтому это чистая технология. Существует несколько типов топливных элементов, в зависимости от природы электролита, природы топлива, прямого или косвенного окисления, рабочей температуры.
В следующей таблице приведены основные характеристики этих различных устройств. Несколько европейских программ ищут другие полимеры, такие как производные полибензимидазола, которые являются более устойчивыми и дешевыми. Компактность батарей также является постоянной задачей с мембранами порядка 15-50 мкм, пористыми углеродными анодами и биполярными пластинами из нержавеющей стали. Продолжительность жизни также может быть улучшена, поскольку, с одной стороны, следы моноксида углерода порядка нескольких миллионных долей в водороде являются реальными ядами для катализатора, а с другой стороны, контроль воды В полимере обязательно.
Рис. 1. Некоторые топливные элементы
Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные процессы горения, идущие с большими потерями. Они в результате химической реакции преобразовывают водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество теплоты. Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию. Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 году. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива - водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. До недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр., топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, теплоту и воду.
Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.
Топливные элементы не имеют движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. То есть они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами могут стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электрических систем в автомобиле.
Есть несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита.
Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие - для портативных устройств или для привода автомобилей.
1. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Щелочной топливный элемент - это один из самых первых разработанных элементов. Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 60-х годов ХХ века агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду.
Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.
В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, теплоту:
Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
Общая реакция системы: 2H2 + O2 => 2H2O
Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы - самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых, чем те, что используют в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных.
Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они работают на чистом водороде и кислороде.
2. Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс разработан в середине 60-х годов ХХ века. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.
Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.
При нагреве до температуры 650°C соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Эти ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – теплота.
Реакция на аноде: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => H2O(g) + CO2(анод)
Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. Преимущество - возможность применять стандартные материалы (листовую нержавеющую сталь и никелевый катализатор на электродах). Побочную теплоту можно использовать для получения пара высокого давления. Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует большого времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению» и пр.
Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
3. Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 60-х годов ХХ, испытания проводились с 70-х годов ХХ века. В итоге были увеличены стабильность и рабочие показатели и снижена стоимость.
Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, поэтому эти топливные элементы используются при температурах до 150-220 °C.
Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.
Реакция на аноде: 2H2 => 4H+ + 4e
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочную теплоту можно быть использовать для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.
Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность - также преимущества таких топливных элементов.
Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки мощностью 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.
4. Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)
Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Разработаны и показаны установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.
Электролитом в этих топливных элементах является твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.
Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции: Реакция на аноде: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eРеакция на катоде: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHОбщая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые, делающие эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.
Другое преимущество в том, что электролитом является твердое, а не жидкое вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с помощью твердого электролита, поэтому такие топливные элементы более дешевы при производстве. При применении твердого электролита нет таких трудностей, как ориентация, и меньше проблем из-за появления коррозии, что повышает долговечность элемента и его компонентов.
5. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)
Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 50-х годов ХХ века и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.
Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочная теплота.
Реакция на аноде: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2H2 + O2 => 2H2O
КПД производства электрической энергии - самый высокий из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.
Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C-1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.
6. Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)
Топливные элементы с прямым окислением метанола успешно применяют в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии, на что и нацелено будущее применение таких элементов.
Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с устройством топливных элементов с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Но жидкий метанол (CH3OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.
Реакция на аноде: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eРеакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Общая реакция элемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Разработка таких топливных элементов велась с начала90-х годов ХХ века и были увеличены их удельная мощность и КПД до 40%.
Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Из-за низких рабочих температур и отсутствия необходимости использовать преобразователь такие топливные элементы являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Их достоинство также - небольшие габариты.
7. Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)
В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды H2O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему изза медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.
8. Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)
В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение оксианионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке. Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.
9. Сравнение важнейших характеристик топливных элементов
Тип топливного элемента | Рабочая температура | Эффективность выработки электроэнергии | Тип топлива | Область применения |
Средние и большие установки |
||||
Чистый водород | установки |
|||
Чистый водород | Малые установки |
|||
Большинство видов углеводородного топлива | Малые, средние и большие установки |
|||
Переносные установки |
||||
Чистый водород | Космические исследова |
|||
Чистый водород | Малые установки |
10. Использование топливных элементов в автомобилях
