Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Электротехнические устройства / Источники питания / Как работают топливные элементы и какие они бывают


 Школа для электрика в Telegram

Как работают топливные элементы и какие они бывают



Топливные элементы – это устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива (обычно водорода) в электрическую энергию. Эта технология может стать одним из ключевых элементов экологически чистой энергетики, так как топливные элементы работают практически бесшумно, без выбросов вредных веществ и при производстве энергии используются недорогие и доступные ресурсы. В этой статье мы рассмотрим различные типы топливных элементов и их основные принципы работы.

Водородный топливный элемент

Наряду с батарейками (гальваническими элементами) и аккумуляторами, давно существует еще один тип химических источников тока, называемый топливным элементом.

В отличие от аккумуляторов и гальванических элементов, топливный элемент требует непрерывной подачи в него химических реагентов, при этом химический состав электролита, в процессе работы такого источника, принципиально не изменяется.

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, непосредственно преобразующее химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. В основном это гальванический элемент, состоящий из двух электродов, разделенных мембраной или электролитом.

Топливо подается к отрицательному электроду (аноду), а окислитель к положительному электроду (катоду). Два вещества затем каталитически объединяются в пространстве между электродами.

Топливный элемент теоретически может работать непрерывно до тех пор, пока подача топлива или окислителя к электродам не будет прервана, поскольку электроды каталитически и реактивно стабильны.

Существует много комбинаций горючего и окислителя. Например, кислородно-водородная ячейка использует водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, производя чистую воду в качестве отходов.

Другие ячейки используют в качестве топлива углеводороды и спирты. Вместо чистого кислорода в качестве окислителей можно использовать, например, двуокись хлора.

Водородный топливный элемент 

 Водородный топливный элемент 

Данный метод прямого преобразования химической энергии в электрическую впервые был продемонстрирован в 1838 году английским химиком Уильямом Робертом Грове (1811 - 1896), открывшим явление возникновения ЭДС в цепи из двух платиновых электродов, один из которых омывался кислородом, а второй — водородом.

Этот устройство, названное Грове топливным элементом, было первым примером водородно-кислородного топливного элемента, который считается классическим типом топливного элемента. Однако из-за высокой стоимости платины и низкой мощности топливного элемента, его изобретение не получило широкого распространения и признания в течение долгого времени.

Уильям Роберт Грове

Уильям Роберт Грове

Начиная с 40-х годов 20 века интерес к данной теме сильно возрос, в том числе и в СССР, где с 1966 года для советской лунной программы разрабатывали фосфорнокислотный топливный элемент. А в период с 1987 по 2005 годы на РКК «Энергия» произвели около 100 топливных элементов. 

Советские топливные элементы были успешно применены в космической программе, в том числе для обеспечения электроснабжения лунных модулей «Луноход-1» и «Луноход-2», а также для запуска спутников «Космос-605» и «Космос-782»2. Кроме того, топливные элементы использовались для питания бортовых систем космического корабля «Буран», который совершил один беспилотный полет в 1988 году. Для него был разработан специальный щелочной элемент номинальной мощностью 10 кВт.

Фосфорнокислотный топливный элемент имеет электролит на основе концентрированной фосфорной кислоты, а щелочной топливный элемент - на основе раствора гидроксида калия или натрия. Оба типа топливных элементов работают при высоких температурах (около 200 °C) и имеют высокий КПД (до 60 %).

Батарея из топливных элементов

Один топливный элемент (одна ячейка) генерирует постоянный ток при напряжении от 0,6 до 0,9 вольт и способен обеспечить мощность от 0,3 до 0,6 Вт. Из отдельных элементов собирают большие батареи.

Максимальный ток, который можно получить от такой батареи, зависит от общей активной площади поверхности анода и катода. Для понимания габаритов: при мощности батареи топливных элементов до 50 кВт, она без особых трудностей уместится в легковом автомобиле.

Для увеличения напряжения и мощности батареи топливных элементов, отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно. Последовательное соединение увеличивает напряжение, а параллельное - ток.

Обычно батарея топливных элементов состоит из нескольких групп элементов, соединенных последовательно, а затем параллельно. Таким образом, можно получить нужные значения напряжения и тока для различных приложений.

Батарея топливных элементов имеет ряд преимуществ перед другими источниками электроэнергии, такими как аккумуляторы или генераторы. Она имеет высокий КПД, низкий уровень шума и вибрации, долгий срок службы и малый вес. Она также экологически чиста, так как не выделяет вредных веществ в атмосферу.

Батарея топливных элементов может быть использована для электропитания различных устройств, таких как автомобили, лодки, поезда, самолеты, дроны и другие.

Существует множество типов топливных элементов, которые отличаются по виду топлива и окислителя, по материалу и температуре электролита, по мощности и напряжению выходного тока. Наиболее распространенные виды топливных элементов описаны ниже.

Топливный элемент с кислым электролитом

Рассмотрим в общих чертах принцип действия топливного элемента, использующего водород и кислород в сочетании с кислым электролитом.

Топливный элемент с кислым электролитом

Здесь есть два полых электрода — резервуара — анод и катод, покрытые специальным материалом — катализатором (например платиной).

Анод имеет в своей структуре мельчайшие поры, так что, если через такой анод начать прокачивать водород (являющийся в данном случае топливом), то, по мере просачивания сквозь поры в кислый электролит, молекулы водорода разделятся на атомы, каждый из двух атомов отдаст при этом аноду по одному электрону.

Ионизированный ион водорода попадет в электролит, где станет диффундировать в сторону катода. Одновременно с пропусканием через полый анод водорода, через полый катод пропускают кислород (окислитель).

В свою очередь, просачивается в электролит через поры своего электрода, при этом, контактируя с катализатором электрода, соединяется с электронами, приходящими к катоду по внешней цепи нагрузки, а также с ионами водорода. Здесь и образуется вода.

Химические реакции в топливном элементе

В качестве примера топливного элемента с кислым электролитом можно привести фосфорнокислотный топливный элемент, в котором переносчиком протонов от анода к катоду (электролитом) выступает ортофосфорная кислота.

Ортофосфорную кислоту необходимо как-то удержать и предотвратить ее испарение. В 60-е годы для решения этой задачи пробовали использовать асбестовые и кремниевые матрицы, которые удерживали кислоту подобно тому, как поролоновая губка удерживает воду. Идея себя не оправдала, кислота обильно вытекала, требовались дополнительные меры по ее удержанию.

Поли[2,20-(m-фенил)-5,50-бибензимидазол] и его аналоги, в качестве удерживающих кислый электролит матриц, помогли исследователям выйти из затруднительного положения; с ними время работы фосфорнокислотных элементов получилось довести до 30000 часов.

Средняя температура для топливных элементов данного типа - до 200 °C, а КПД их достигает 80%. Такие элементы используются для снабжения электроэнергией автономных зданий.

Топливный элемент с щелочным электролитом

Кроме кислотных, существуют топливные элементы с щелочным электролитом (обычно такими электролитами выступают концентрированные гидроксиды).

Топливный элемент с щелочным электролитом

В них водород взаимодействует на аноде с гидроксид-ионом — образуется молекула воды. Молекула воды приходит и к катоду, одновременно с этим во внешнюю цепь отдается электрон.

На катоде же кислород взаимодействует с молекулой воды из электролита, здесь же из внешней цепи приходит электрон, — образуется гидроксид-ион.

Топливные элементы данного типа являются весьма эффективными, их КПД доходит до 70%. Именно щелочные элементы использовались в итоге в лунной программе СССР. Их рабочая температура - до 100 °C.

Химические реакции в топливном элементе

Яркий пример топливного элемента с щелочным электролитом — элемент на основе гирдроксида калия, заключенного в пористый материал-матрицу между электродами.

Здесь существует особенность: гидроксид калия легко соединяется с углекислым газом из воздуха с образованием карбоната, засоряющего поры электродов, и тем самым снижающего эффективность топливного элемента. Поэтому щелочной топливный элемент не может получать кислород для своей работы напрямую из воздуха, а должен питаться только чистым кислородом (чтобы исключить это самое карбонатное отравление топливного элемента).

Два основных вида щелочных элементов: иммобилизованные ячейки с насыщенным гидроксидом калия асбестовым сепаратором и проточные ячейки с открытой матрицей, через которую электролит прокачивается так, что не успевает застояться.

Топливный элемент с ионообменной мембраной и микробный топливный элемент

Наконец, третий, перспективный тип топливных элементов, работающих на водороде и кислороде при нормальных условиях, — топливный элемент, в котором вместо электролита выступает ионообменная (протонообменная) мембрана — полимерная мембрана, свободно пропускающая через себя ионы только в одну сторону.

В качестве источника кислорода может использоваться воздух, а образующаяся при работе элемента вода, никак не мешая мембране, легко удаляется без особых дополнительных мер. Вопрос лишь в том, чтобы найти подходящий материал для мембраны и недорогие катализаторы.

Топливный элемент с ионообменной мембраной

Как вариант, в качестве источника топлива могут выступать даже сточные воды городов и предприятий. Например, микробы могут прокачиваться вместе со сточными водами прямо через анодную камеру с подходящей анаэробной средой, а катод при этом - аэробный.

Сами микробы отрывают электроны от субстрата, передают их на анод, они движутся по внешней цепи к катоду, где образуется вода. Вместе с отрывом электронов образуются ионы водорода, направляющиеся через мембрану к катоду, где они вместе с электронами участвуют в образовании воды (см. необычные способы получения электроэнергии).

Топливный элемент с электролитом из расплавленного карбоната

Топливный элемент с электролитом из расплавленного калиево-литиевого карбоната отличается рабочей температурой до 650 °C. Здесь допускается использовать водород с примесями углерода. Такие элементы применяются для запуска паровых турбин и в обогреве зданий.

Топливный элемент с твердооксидным электролитом

Вместо электролита - керамический материал, а образующаяся на аноде вода - в состоянии пара, перегретого до температуры около 1000 °C, что объясняет потребность такого рода элементов в дорогостоящих термостойких материалах вроде диоксида циркония.

Топливный элемент с твердооксидным электролитом

Керамический материал в данном случае проницаем для ионов кислорода, которые соединяются с водородом на аноде. Принципиально элементы данного типа способны работать на метане, пропане, бутане и биогазе.

Применяется они для запуска паровых турбин, в качестве источника тока и в обогреве зданий. КПД около 60%. На базе твердооксидных топливных элементов сегодня выпускаются стационарные установки различного назначения, мощностью до 1 МВт, в том числе — для энергообеспечения водного транспорта.

Топливный элемент на основе метанола

Топливный элемент на основе метанола

Метаноловый топливный элемент прямого действия имеет в качестве электролита полимерную мембрану. Водород получается из метанола: метанол реагирует с водой - образуется углекислый газ и водород.

Химические реакции в топливном элементе

Но здесь требуется платиновый катализатор, общий КПД низкий — 40%, к тому же метанол — яд. Зато его удобно хранить и по энергоемкости он плотнее, чем тот же сжатый водород. По этой причине, несмотря на все минусы, метаноловые топливные элементы все же рассматриваются в качестве перспективных для электрокаров.

Водородный топливный элемент Hyundai

Батарея водородных топливных элементов Hyundai

Hyundai является одним из производителей, наиболее активно использующих топливные элементы. Компания представила свой первый электромобиль на топливных элементах еще в 2000 году - Hyundai Santa Fe FCEV, а в 2013 году компания выпустила свой первый серийный водородный автомобиль, ix35 FCEV.

Все это является частью дорожной карты под названием «Fuel Cell Vision 2030», целью которой является производство к 2030 году 700 тысяч топливных элементов для автомобильной промышленности в год, а также для неавтомобильных секторов: лодок и поездов.

Используя систему топливных элементов Hyundai, швейцарская компания GRZ Technologies планирует создать стационарную систему электроснабжения с использованием водородных электрогенераторов, которая будет использоваться для выработки электроэнергии в часы пик.

Система электроснабжения от GRZ Technologies будет состоять из нескольких модулей, каждый из которых будет иметь мощность 1 кВт и способность хранить до 100 литров водорода под давлением 200 бар. Модули будут работать в режиме топливных элементов, когда потребление электроэнергии будет высоким, и в режиме электролиза, когда потребление будет низким. Таким образом, система будет обеспечивать стабильное и экологически чистое электроснабжение для различных потребителей, таких как жилые и коммерческие здания, промышленные объекты и сельскохозяйственные участки.

GRZ Technologies сотрудничает с Hyundai в рамках программы «Hydrogen to Power», которая направлена на развитие и продвижение технологий водородной энергетики в Европе. Компания планирует запустить первый пилотный проект системы электроснабжения в Швейцарии в 2024 году и расширить его в другие страны в последующие годы.

Смотрите также по этой теме: Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта 

Андрей Повный

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика