|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Топливный элемент |
 |
Топливный элемент
Описание
Топливный элемент ‑ электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию в электрический ток подобно 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.
Хотя и аккумуляторные батареи, и топливные элементы вырабатывают электроэнергию химическим путем, они выполняют две совершенно разные функции. Батареи - устройства с накопленной энергией: электроэнергия, которую они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные же элементы не хранят энергию, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электроэнергию. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию. Тем не менее, преобразование энергии происходит напрямую, без преобразования химической энергии в тепло, в этом состоит отличие топливного элемента от тепловых машин.
Существует несколько различных типов действия топливных элементов. Наипростейший топливный элемент (рисунок 1), водородно-кислородный, состоит из специальной мембраны (3), которая либо сама является электролитом, либо удерживает жидкий электролит. Мембрана должна быть проницаема для положительно заряженных ионов, но не пропускать электроны. По обе стороны мембраны нанесены порошкообразные электроды (1 и 2), проницаемые для газообразных топлива и окислителя, но плотно прилегающие к мембране. Такая конструкция ‑ электролит, окруженный двумя электродами, ‑ представляет собой отдельный элемент. По отдельности топливные элементы дают напряжение около 0.7-1.0В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы собираются в "каскад", т.е. последовательное соединение.
Устройство топливного элемента: 1 - катод; 2 - анод; 3 - мембрана.
Рисунок 1
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 электроэнергия. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол.
Принцип действия топливного элемента следующий. В низкотемпературных топливных элементах используются: водород, поступающий со стороны анода и кислород, находящийся со стороны катода. На катоде происходит реакция вида:
2H2 → 4H++4e-
Данная реакция осуществляется либо при помощи платинового или палладиевого катализатора, либо при весьма высокой температуре.
Далее мембрана разделяет продукты реакции: протоны (ионы водорода) проходят к аноду сквозь нее, а электроны достигают анода через внешнюю электрическую цепь (топливный элемент создает электрический ток во внешней цепи). На аноде водород реагирует с кислородом:
O2+4H++4e- → 2H2O
Как мы видим, что электроны пришедшие из внешней цепи от катода также участвуют в реакции, поэтому отрицательный заряд на аноде не накапливается, и в цепи течет ток пока в элемент подается топливо. Последняя реакция также требует наличия катализатора.
Достоинства топливных элементов:
- в отличие от гальванических элементов преобразуют энергию топлива получаемого извне.
- обладают гораздо большим кпд, по сравнению с кпд тепловых машин (так как нет ограничения на максимальный кпд циклом Карно).
- могут работать на абсолютно экологически чистом топливе –водороде.
Недостатки топливных элементов:
- требуют дорогостоящих катализаторов (платина), либо нагрева свыше 500ºC.
- необходимо дальнейшее развитие водородной энергетики (объем промышленного производства водорода должен быть сравнимым с производством бензина) и технологии производства топливных элементов.
- наиболее распространенный на сегодняшний день топливный элемент использует чрезвычайно ядовитый метанол в качестве топлива.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Используемые естественнонаучные эффекты
Разделы естественных наук используемых естественнонаучных эффектов
Применение эффекта
Топливный элемент – должен стать основой всей водородной энергетики. Возможные сферы применения топливных элементов в будущем также широки, как сейчас применение двигателей внутреннего сгорания и других тепловых машин:
- накопление электрической энергии (на электрических станциях), и даже строительство больших топливных элементов – электростанций;
- аварийные источники энергии;
- автономное электроснабжение;
- портативная электроника; *
- электромобили; *
- авиация, космос (бортовое питание);
- подводные лодки, морской транспорт;
- питание сотовых телефонов. *
К сожалению, необходимо отметить, что внедрение топливных элементов в промышленность ещё только начинается (знаком * отмечены те области, применения топливных элементов, в которых от создания прототипов переходят к серийному производству).
Разработка топливных элементов ведется во многих странах мира, в том числе и в России.
Реализации эффекта
Пример водородно-кислородного топливного элемента с протоннообменной мембраной (или «с полимерным электролитом») показан на рисунке 1.
Протонно-проводящая полимерная мембрана (3) разделяет два электрода — анод (1) и катод (2). Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны. Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион, полиацетилен и др.) или керамической (оксидной и др.).
На катализаторе катода, молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.
Рисунок 1
Твердооксидный топливный элемент (рисунок 1) применяется в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Они работают при очень высокой температуре (700 ºC — 1000 ºC), и их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить коэффициент полезного действия (КПД) установки. КПД такой гибридной установки может достигать 70%. В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина. Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, газе, полученном из биомассы. Конечно, сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, но это легко сделать с помощью адсорбентов.
Рисунок 1
Литература
Энергетика и безопасность, № 11, 1999;
Фильштих В., Топливные элементы, пер. с нем., М., 1968;
Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф., Перспективы и научные проблемы применения методов непосредственного получения электроэнергии из химических топлив, "Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт", 1973, № 2.
