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
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

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

 Школа для электрика / Электротехнические устройства / Источники питания / Какие бывают топливные элементы


 Школа для электрика в Telegram

Какие бывают топливные элементы


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.

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.

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. В частности, для космического корабля «Буран» был разработан специальный щелочной элемент номинальной мощностью 10 кВт.

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.

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.

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