Кислородно водородный топливный элемент

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа НТТЭ со щелочным электролитом описывается уравнениями реак­ций:

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

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

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

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

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

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

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

Рассматриваемые элементы допускают плотности тока 100 — 200 мА/см 2 , ра­ботают на протяжении сотен и тысяч часов и имеют удельную мощность порядка 50 Вт на 1 кг массы батареи. Электролитом в указанном ТЭ служит 30% рас­твор КОН.

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

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

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

Читайте также:  Комбайны филипс все модели

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

Среднетемпературные топливные элементы (СТТЭ) представляют собой водородно-кислородные ТЭ, работающие при 250—300°С и при давлении газов до 6 МПа. Электролитом служит 85% раствор щелочи, находящийся при рабочей температуре в жидком состоянии. Электроды никелевые, без катализаторов. Эле­мент имеет пологие вольт-амперные характеристики: с увеличением плотности тока от 100 до 200 мА/см 2 напряжение элемента падает от 1,05 до 0,9 В.

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

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

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

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

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

Нагрузка, А/см 2 0 0,162 0,413 1,076

Напряжение, В 1,05 0,9 0,8 0,6

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

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

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

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

Кислород в ионизированном состоянии переносится через твердый электролит к углю

Процессы на электродах:

Е = 0,7В; I = 1,5-2,0 А/1 л объема.

Предложенный О.К.Давтяном ТЭ использовал энергию реакции

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

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

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

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

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

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

Твердый электролит готовят сплавлением при 1200°С, 43% Na2CO3, 27% моноцитового песка (3-4% ThO2 и 15-20% РЗМ), 20% WO3 + 10%Na2SiO3. удельное сопротивление при 700°С 3 Ом×cм, плотность тока 20 ма/см 2 , V=0,79В . Электроды практически не поляризуются.

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

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

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8813 – | 7169 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

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

Читайте также:  Какие сейчас модные стенки

Особенности

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

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

История появления

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

Общие понятия

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

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

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

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

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

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

Область применения

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

  • Портативные зарядные устройства.
  • Энергоснабжающие системы для БПЛА.
  • Источники бесперебойного питания.
  • Прочие устройства и оборудование.
Читайте также:  Какой клен растет в сибири

Перспективы водородной энергетики

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

Как собрать топливный элемент на водороде?

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

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

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

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

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

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

Топливные элементы, генерирующие электричество из водорода, обещают стать перспективным источником энергии, но пока они слишком дороги и неэффективны. Американские исследователи намерены усовершенствовать технологию за счет новых материалов.

В традиционных топливных элементах электроны и протоны водорода транспортируются от одного электрода к другому, а затем реагируют с кислородом, образуя электрическую энергию и, в качестве побочного продукта, воду. Для ускорения этой реакции необходим катализатор.

Лучший из доступных катализаторов — платина. К сожалению, цена этого металла высока, что делает топливные элементы дорогими.

Платину можно заменить более дешевыми катализаторами, например, кобальтом, но их нужно много, что снижает энергоэффективность всей установки. Специалисты из Висконсинского университета в Мэдисоне (США) обошли эту проблему, вынеся катализатор в отдельный отсек, где он не помешает работе топливного элемента. Связь между этим отсеком и электродами осуществляется за счет органического «челнока» — молекулы хинона, сообщает Phys.org.

Хинон способен нести одновременно по два электрона и протона. В новом топливном элементе молекула собирает эти частицы на электроде, транспортирует в реактор с катализатором, а затем возвращается обратно за новыми «пассажирами».

Многие хиноны деградируют после нескольких циклов, однако команда создала сверхстабильный вариант молекулы. Срок ее службы увеличился более чем в 100 раз — до 5000 часов.

В дальнейшем ученые намерены дополнительно повысить эффективность хинона.

Экспериментальный топливный элемент пока выдает лишь 20% от КПД традиционных. Тем не менее, система работает намного эффективнее, чем аналогичные установки с органическими передатчиками. Конечная цель ученых — создание стабильного безуглеродного источника энергии на водородном топливе.

Крупные корпорации уже заинтересовались возможностями водородных топливных элементов. Например, компания Hyundai разрабатывает грузовик, который будет использовать этот источник энергии. Водородные элементы также собирается использовать Nicola Motors, которая планирует стать конкурентом Tesla в экологически чистых грузоперевозках.

Комментарии запрещены.

Присоединяйся