Как работает водородный топливный элемент

Как работают водородные топливные элементы

Работа водородных топливных элементов относительно проста. Их работа интересна тем, что для сгорания нужны только вода и энергия. Как мы знаем, экологический аспект имеет решающее значение для автомобилестроения в 21 веке. Узнайте, как работают современные водородные приводы и как решения Knauf могут поддержать их производительность.

Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?

Водород – первый элемент периодической таблицы. Это самый легкий и распространенный химический элемент во Вселенной. Его много на Земле, но в чистом виде он редко встречается. Однако его можно найти во многих других соединениях, в том числе и в воде.

Водород может использоваться в качестве топлива для различных транспортных средств — от скутеров и автобусов до космических ракет. Схема реакции, которая возникает при сжигании чистого газообразного водорода в кислороде, выглядит следующим образом:

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (g) + energy

Поэтому процесс здесь чрезвычайно чистый — не образуется никаких дополнительных соединений, например, CO2 или других вредных веществ. Энергии, получаемой при сжигании водорода, достаточно для приведения в действие автомобиля. Несмотря на это, использование водорода в качестве экологически чистого источника энергии создает серьезную проблему: батареи, работающие на водороде, не являются экологически чистыми. Это связано с доступностью водорода – при имеющихся у нас условиях он лишь изредка доступен в форме, пригодной для использования в двигателях. Это означает, что мы должны получать его альтернативным способом. Существует несколько методов, но два из них стоит различать:

Производство природного газа – паровое преобразование. Пар сочетается с метаном, в результате чего из моноксида углерода и водорода образуется синтез-газ. В ходе этого процесса выделяется значительное количество окиси углерода, но, несмотря на это, это все же более экологичный метод, чем сжигание ископаемого топлива.
Зеленое производство водорода – это метод, основанный на возобновляемых источниках энергии. Высокая мощность электролизатора позволяет превращать воду в водород и кислород. Этот метод не способствует образованию химических соединений, вредных для окружающей среды.

См. также: Автомобили с водородным двигателем – стоимость, выбросы и рыночная информация

Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?

Водород, как сырье для производства автомобилей, является предметом дебатов на протяжении многих лет. Сегодня, однако, мы особенно близки к тому, чтобы широко использовать этот элемент для обеспечения высокой тяговой мощности. В настоящее время это решение не пользуется особой популярностью — в основном оно используется в больших автобусах. На рынке всего несколько тысяч автомобилей; чаще всего это демонстрационные автомобили или модели из частных коллекций.

Водородный двигатель, однако, страдает не от недостатка потенциала развития, а от отсутствия соответствующих исследований в этой области. Потенциал этого сырья признан большинством энергетических организаций. Поэтому ведутся передовые работы, направленные на то, чтобы сделать водородный топливный двигатель не только более эффективным, но и более доступным для ежедневного использования.

В настоящее время водородные технологии представляют интерес для тех стран, которые в наибольшей степени привержены программам климатических реформ, рассматривая это сырье как столь необходимую альтернативу электричеству. Однако пока еще не ясно, в какой степени энергетические установки смогут удовлетворить мировые потребности в эпоху электромобильности. Революция электромобилей, вероятно, потребует от нас полной реструктуризации транспорта и разработки альтернатив, которые позволят сотням тысяч электромобилей безопасно пользоваться электросетью. Возможно также, что водород, как высокопотенциальное сырье, навсегда останется в автомобильном секторе.

Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries — высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов

Электромобильность приносит не только новые возможности, но и вызовы. Для их реализации необходимы самые передовые решения. Опыт Knauf Automotive позволяет нам создавать инновации, которые помогают не только построить новую автомобильную отрасль, но и усовершенствовать существующие решения. Наша продукция предназначена для поддержки экологических решений. Мы стремимся предоставлять решения, пригодные для вторичной переработки и обеспечивающие добавленную стоимость на многих уровнях для клиентов.

Что касается водородных двигателей, то мы разработали высокотехнологичные решения с использованием таких материалов, как EPP. Перечень преимуществ EPP в защите купола для водородных судов является длинным.

Наиболее важным из них является амортизация ударов, так как основной задачей этой части является выполнение требований R134, который является регулированием для водородных суден. Детали из вспененного полипропилена должны быть стойкими к многократным ударам.

Другими ключевыми характеристиками компонентов из пенополипропилена для водородных сосудов являются:

Легкость (детали с высоким рассеиванием энергии).
Большой диапазон рабочих температур
Химическая инерция
Простота сборки
Может поглощать изменение размеров сосудов

Те же самые характеристики делают EPP идеальным решением и для другого сектора "зеленой" мобильности – компонентов аккумуляторных батарей. Они позволяют снизить отрицательное влияние низких температур, которое негативно сказывается на их работе, без значительного увеличения веса автомобиля. Обеспечивая отличную электрическую и тепловую изоляцию, а также отличную ударопрочность, детали EPP являются важной частью решений, применяемых в электромобилях сейчас и будут применяться и в будущем.

Наши инженеры предлагают огромное количество различных решений для автомобильной промышленности, которые позволяют значительно улучшить функционирование электромобилей и автомобилей на водороде . Наш богатый опыт в сочетании с индивидуальным подходом позволяет нам сократить время вывода на рынок совершенно новых проектов, легко конфигурировать различные решения и быстро разрабатывать эффективные инновации, способствующие росту автомобильной промышленности в Европе и за ее пределами.

Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения

Это широко доступный, дешевый и эффективный элемент, поэтому уже сейчас стоит рассмотреть первоначальные мысли о моторе, в котором он будет использоваться. В настоящее время стоимость эксплуатации этого типа транспортных средств аналогична стоимости бензиновых автомобилей. Однако закупочная цена намного выше, а инфраструктура не так развита. Это те вопросы, которые, скорее всего, изменятся в будущем — и это будет значительным шагом на пути к улучшению экологической ситуации во всем мире.

См. также: Предложение компании "Кнауф Автомотив" по экологичным автокомпонентам из EPP.

Хотите получить более специализированные знания?

Как устроен топливный элемент - подробно

: Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям; Опубликовано 04.04.2016 04:20; Автор: Abramova Olesya

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором происходит процесс объединения водородного топлива и кислорода с выделением электричества, тепла и воды. Топливный элемент похож на электрическую батарею тем, что электрохимическая реакция происходит до тех пор, пока имеется топливо. Водород хранится в герметичном контейнере под давлением, кислород же берется из атмосферы. Из-за отсутствия горения нет никаких вредных выбросов, продуктом данного процесса является лишь чистая вода. Эта вода, выделяемая протонообменной мембраной топливного элемента, настолько чистая, что на демонстрациях топливных элементов посетителей часто могут угостить чаем из этой воды.

Фундаментально в топливном элементе происходит процесс электролиза в обратном направлении - с помощью двух электродов, разделенных электролитом. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород. Катализатор на аноде диссоциирует водород в положительно заряженные ионы водорода и электроны. Ионизированный кислород мигрирует через электролит в направлении анода, где соединяется с водородом. Один топливный элемент может обеспечить напряжение 0,6-0,8 В под нагрузкой. Для обеспечения более высокого напряжения необходимо последовательное соединение нескольких элементов. На рисунке 1 иллюстрируется концепция топливного элемента.

Рисунок 1: Принцип работы топливного элемента. На анод (отрицательный электрод) подается водород, а на катод (положительный электрод) - кислород.

Принцип получения энергии, заложенный в топливном элементе, является в два раза эффективнее сжигания углеродного топлива. Водород, самый простой химический элемент (состоящий из одного протона и одного электрона), является удобным и исключительно чистым топливом. Водород составляет 90% Вселенной и является третьим наиболее распространенным элементом на Земле. Такое богатство водорода обеспечивает практически неограниченные возможности генерирования энергии, но есть одна загвоздка.

Большинство водорода в природе находится в составе соединений, и его извлечение требует энергии. С точки зрения теплотворной способности, производство водорода является более дорогостоящим, чем производство бензина. Утверждается, что водород энергетически нейтрален, то есть полученная с его помощью энергия будет равна затраченной на его производство. (Смотрите: Конечная теплотворность).

Хранение водорода представляет собой еще один недостаток. Сжатый водород требует тяжелых стальных резервуаров, и если снова применить точку зрения теплотворности, но уже к объему, то показатель теплотворности газообразного водорода будет в 24 раза меньше показателя жидкого углеродного топлива. Если же хранить водород в жидкой форме, которая намного плотнее, то стоимость резервуара для такого “холодного” хранения будет еще выше.

Водород может быть получен с помощью риформинга путем экстракции из существующего топлива, такого как метанол, пропан, бутан или природный газ. Такое преобразование ископаемого топлива в чистый водород подразумевает некоторый остаток углерода - но количество этого остатка на 90% меньше, чем в продуктах горения из выхлопной трубы автомобиля. Добавление дополнительной установки для риформинга увеличивает вес и стоимость топливного элемента. К тому же, выгода от конверсии водорода находится под вопросом, поскольку она не решает проблему энергообразования в полной мере.

Даже при наличии высвобожденного водорода, ядро топливного элемента (стэк), преобразующее водород и кислород в электричество, является очень дорогим и имеет ограниченный срок службы. Вследствие этого, на сегодняшний день именно сжигание ископаемого топлива в двигателе внутреннего сгорания является самым простым и наиболее эффективным средством получения энергии, хотя и приводит к загрязнению окружающей среды.

Сэр Уильям Гроув, английский физик и химик, разработал концепцию топливного элемента в 1839 году, но она не получила развития - то было время активных исследований в области двигателей внутреннего сгорания, которые показывали обнадеживающие результаты. Так было вплоть до 1960 года, когда НАСА решило использовать именно топливные элементы во время космической программы Джемини. Щелочные топливные элементы выиграли конкуренцию у систем генерации ядерной и солнечной энергии, и обеспечивали как и выработку электроэнергии, так и производство питьевой воды для астронавтов.

Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.

Топливный элемент с протонообменной мембраной, также известный как МОПТЭ, использует полимерный электролит. МОПТЭ является одной из наиболее развитых и часто используемых систем топливных элементов; области его применения распространяются на транспорт, портативные источники питания и обеспечение резервного питания. Система МОПТЭ имеет компактную конструкцию и обеспечивает высокое соотношения энергии к весу. Еще одним преимуществом является возможность относительно быстрого запуска. Топливный элемент работает при умеренной температуре в 80°С и его КПД составляет 50% (показатель КПД двигателя внутреннего сгорания - 25-30%).

К недостаткам систем с протонообменной мембраной можно отнести высокие производственные затраты и сложную систему управления подачи воды. Ядро топливного элемента не может быть запущено просто пуском водорода и кислорода, также необходимо и определенное стартовое количество воды в нем. Топливо для элемента, водород, должен быть чрезвычайно очищенным, так как в другом случае он может вызвать засорение или даже разложение мембраны. Настройка и обслуживание систем таких топливных элементов крайне сложны; к примеру, 150-вольтовая система насчитывает 250 отдельных элементов, которые необходимо правильно настроить.

Топливный элемент чувствителен к низким температурам, ведь это может привести к образованию льда. Это вынуждает добавлять в конструкцию нагревательные элементы, которые увеличивают конечную стоимость. Запуск в холодную погоду занимает больше времени, а производительность заметно ниже. Избыточное теплообразование также может привести к повреждению ячейки. Системы контроля температуры и подачи кислорода потребляют около 30% генерируемой электроэнергии.

При установке в транспортное средство, топливный элемент с протонообменной мембраной имеет расчетный срок службы 2000-4000 часов. Вследствие неравномерной нагрузки происходит излишнее увлажнение или, наоборот, высыхание ячейки, что способствует износу мембраны. При установке в устройство с непрерывным циклом работы, топливный элемент способен нормально функционировать на протяжении 40000 часов. Снижение функциональности происходит плавно, что делает его похожим на электрохимическую батарею. Замена ядра (стэка) топливного элемента является основной расходной частью обслуживания.

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Щелочные топливные элементы получили наибольшее применение в космической отрасли (в том числе, для космических кораблей многоразового использования). Стоимость производства и обслуживания, особенно для ядра топливного элемента, являются сравнительно доступными. Например, сепаратор для топливного элемента с протонообменной мембраной стоит от $ 800 до $ 1100 за квадратный метр, а для щелочного его стоимость даже не берется в расчет (она сравнима с ценой квадратного метра сепаратора свинцово-кислотного аккумулятора и составляет $ 5). Также экономия достигается путем отсутствия необходимости в системе контроля за водными ресурсами. Коэффициент полезного действия такого топливного элемента находится в районе 60%. Но у него есть и недостатки, например, его физические размеры конструктивно больше, чем у версии с протонообменной мембраной, также ему необходим крайне чистый водород и кислород. Использование кислорода из окружающей среды, в составе которой есть двуокись углерода, может вывести такой элемент из строя. Данные недостатки ограничивают применение щелочных топливных элементов специализированными приложениями.

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

В крупных стационарных установках используются три вида топливных элементов - на расплаве карбоната (РКТЭ), на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ). ТОТЭ является наименее распространенным, но в последнее время из-за прорыва в исследованиях материалов и конструкции ядра элемента, на эту технологию обращено повышенное внимание. Благодаря новому поколению керамического материала удалось снизить рабочую температуру с 800-1000°С до 500-600°С. Это позволяет использовать нержавеющую сталь вместо дорогой керамики для вспомогательных деталей.

Высокая температура позволяет осуществлять прямое извлечение водорода из природного газа посредством процесса каталитического риформинга. Именно способность потреблять углеродное топливо без необходимости предварительного риформинга обеспечивает высокую эффективность и создает значительные преимущества для этого типа топливных элементов. Благодаря теплообразованию, побочному продукту процессов в ТОТЭ, которое также возможно использовать для генерации электричества с помощью турбин, КПД твердооксидных топливных элементов может достигать 70%, что является самым высоким показателем среди всех видов топливных элементов. Среди недостатков - необходимость использования температуростойких и дорогостоящих материалов для ядра топливного элемента, которые имеют ограниченный срок службы.

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Портативные топливные элементы являются крайне интересным и привлекающем внимание направлением, и наиболее перспективная технология для их создания – это прямое окисление метанола. Топливные элементы с прямым окислением метанола имеют небольшой размер, недороги в изготовлении, удобны в использовании и не требуют сжатого газообразного водорода. ПОМТЭ имеют хорошие электрохимические характеристики, их заправка производится путем впрыскивания жидкости или замены картриджа, что позволяет продолжать работу без простоев.

Реалии рынка и технологий на сегодняшней день таковы, что полноценным конкурентом классическим электрохимическим батареям топливные элементы пока быть не могут. Крайне интересным выглядит их использование в качестве зарядного устройства для обеспечения беспрерывной работы встроенного аккумулятора. Среди недостатков ПОМТЭ - ядовитость и огнеопасность метанола, из-за которых его использование и транспортировка жестко регламентируется. Например, перевозить разрешено только до двух дополнительных запасных картриджей емкостью не более 200 мл (на другие вещества для топливных элементов, к примеру, водород, данное ограничение не распространяется).

На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.

Рисунок 2: Микротопливный элемент. Этот прототип микротопливного элемента способен обеспечивать 300 мВт непрерывной мощности.

Рисунок 3: Топливный элемент Toshiba с заправочным картриджем. Картридж емкостью 10 мл содержит метанол чистотой 99,5%.

Исследования в сфере портативных топливных элементов не стоят на месте, например, корпорацией Toshiba был представлен прототип для использования в ноутбуках и других устройствах, способный генерировать от 20 до 100 ватт мощности. Прототип имеет компактные размеры, а по удельной энергоемкости сопоставим с никель-кадмиевой батареей. В то же время кампания Panasonic анонсирует модель аналогичных размеров, но с выходной мощностью, в два раза превышающей показатель прототипа Toshiba. Срок службы данной модели будет составлять порядка 5000 часов, при 8-часовом ежедневном использовании (с перерывами). Низкая долговечность является проблемой всех топливных элементов.

Делаются попытки создания портативных топливных элементов и на водороде, что дает преимущество в виде повышения эффективности и уменьшения размеров. Этим миниатюрным системам не нужны насосы и вентиляторы, вследствие этого они абсолютно бесшумны. При использовании с картриджем типового объема и с заправкой каждые 20 часов, такой элемент способен обеспечить энергию, эквивалентную 10 щелочным батарейкам типоразмера АА. Микротопливные элементы найдут свое применение в портативной компьютерной технике, беспроводной связи, фонариках и даже электровелосипедах.

Также такие элементы интересны для использования в военной и рекреационной сферах. На рисунке 4 показан портативный топливный элемент кампании SFC (Smart Fuel Cell), поставляемый с различными мощностными характеристиками - от 600 до 2160 Вт*ч в день.

Рисунок 4: Портативный топливный элемент потребительского сегмента. Топливный элемент преобразует водород и кислород в электричество с единственным побочным продуктом - чистой водой. Топливные элементы могут использоваться в помещении в качестве генератора электроэнергии.

В таблице 5 описаны сферы применения, преимущества и ограничения обычных топливных элементов. Таблица включает в себя не рассмотренные выше технологии на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ) и на основе расплава карбоната (РКТЭ).

Тип топливного элемента	Сфера применения	Рабочая температура и КПД	Преимущества	Недостатки
Мембрана обмена протонов	Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт	50-100°С; 80°С номинал; 35-60% КПД	Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология	Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов
Щелочной	Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт	90-100°С; 60% КПД	Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов	Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода
Расплав карбоната	Большие установки электрогенерации	600-700°С; 60% КПД	Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
На основе фосфорной кислоты	Средние и большие установки электрогенерации	150-200°С; 40% КПД	Непритязательность к качеству топлива, когенерация	Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор
Твердооксидный	Средние и большие установки электрогенерации	700-1000°С; 60% КПД	Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
С прямым окислением метанола	Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации	40-60°С; 20% КПД	Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора	Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность

Таблица 5: Преимущества и недостатки различных систем топливных элементов.
Разработки и улучшения в сфере топливных элементов происходят постепенно, малый показатель удельной мощности не позволяет быть прямым конкурентом электрическим батареям.

Топливным элементам присущи такие ограничения как медленный запуск, низкая выходная мощность, медленная реакция на потребность в электроэнергии, плохие нагрузочные характеристики, маленький диапазон мощности, короткий срок службы и высокая стоимость. Подобно электрическим батареям, производительность всех топливных элементов снижается с возрастом, это происходит из-за постепенной деградации компонентов ядра (стека) топливного элемента. Такая проблема потери эффективности гораздо менее выражена, например, у двигателей внутреннего сгорания.

Топливным элементам мощностью менее 1 кВт, как правило, не нужно давление при работе, и подача кислорода происходит только с помощью вентилятора; системы же свыше 1 кВт герметичны и оборудованы компрессором, который снижает общую эффективность и является довольно шумным. Относительно высокое внутреннее сопротивление представляет собой еще одну проблему. Каждая ячейка стека производит около 1 В в открытой цепи, подключение большой нагрузки приводит к заметному падению напряжения. Подобно электрической батарее, мощность топливного элемента уменьшается с возрастом. Отдельные ячейки могут выходить из строя и вызывать сбои в работе, приводящие к неправильному функционированию всей системы или загрязнению окружающей среды. На рисунке 6 показаны значения напряжения и мощности в зависимости от нагрузки.

Рисунок 6: Диапазон мощности портативного топливного элемента. Высокое внутреннее сопротивление приводит к быстрому падению напряжения при подключении нагрузки. Диапазон мощности ограничен значениями от 300 до 800 мА.

Топливные элементы лучше всего работают при нагрузке 30%, более высокие значения снижают эффективность. Это вкупе с плохой чувствительностью дросселя ограничивают эффективное использование топливных элементов сферой вспомогательного электропитания и зарядных устройств. Роль автономного источника питания, изначально предназначаемая топливным элементам, пока что остается непокоренной ими.

5. Парадокс топливной ячейки

Пик популярности топливных элементов пришелся на 1990-е годы, когда ученые и инженеры были увлечены идеей о экологически чистом и неиссякаемом топливе - водороде. Предсказывалось, что каждый автомобиль и домохозяйство вскоре будут работать на топливных элементах. Акции профильных компаний взлетели до небес, но вскоре индустрия уперлась в грань - была достигнута предельная производительность, а высокие производственные затраты и ограниченный срок службы весьма ограничивали применение топливных элементов.

Ожидалось, что топливные элементы окажут на мир такое же влияние, как оказали микропроцессорные технологии в 1970-е годы. Этот экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии должен был решить проблему ископаемого топлива с его ограниченными запасами и экологическими проблемами. С 1999 по 2001 год более 2000 компаний активно взялись за разработку топливных элементов, четырем крупнейшим из них удалось привлечь инвестиции в размере 4 миллиардов долларов. Но что пошло не так?

Водород сам по себе не является источником энергии, он лишь форма транспортировки и хранения энергии аналогичной электричеству, которым заряжается батарея. Чтобы представить себе “сжигание бесконечного количества водорода”, необходимо сначала произвести водород, что нельзя сделать по аналогии с нефтью, добыв ее из-под земли. Водород возможно получить из ископаемого топлива, но конечная полученная энергия в этом случае будет меньше, чем в случае прямого сжигания углеродов. Единственным достоинством такого способа будет уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Подобно тому, как не удалось создать паровой самолет в середине 1800-х, можно предположить, что топливные элементы никогда не станут той формой источника энергии, в которой их видели разработчики. Но существует определенное развитие этой технологии в автомобильной промышленности, есть спрос на них и в качестве вспомогательных источников питания, которые могут быть установлены в труднодоступные районы с минимальной возможностью обслуживания. Топливные элементы позволяют непрерывную и экологически чистую эксплуатацию, где бы они не были установлены. Вполне вероятно, что продолжающееся развитие технологий позволит однажды расширить сферы применения топливных элементов, и мечтам о массовом экологически чистом транспорте на водородном топливе суждено исполнится.

Последнее обновление 2016-02-27

Как устроен топливный элемент - подробно

: Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям; Опубликовано 04.04.2016 04:20; Автор: Abramova Olesya

Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.

Тип топливного элемента	Сфера применения	Рабочая температура и КПД	Преимущества	Недостатки
Мембрана обмена протонов	Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт	50-100°С; 80°С номинал; 35-60% КПД	Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология	Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов
Щелочной	Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт	90-100°С; 60% КПД	Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов	Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода
Расплав карбоната	Большие установки электрогенерации	600-700°С; 60% КПД	Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
На основе фосфорной кислоты	Средние и большие установки электрогенерации	150-200°С; 40% КПД	Непритязательность к качеству топлива, когенерация	Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор
Твердооксидный	Средние и большие установки электрогенерации	700-1000°С; 60% КПД	Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
С прямым окислением метанола	Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации	40-60°С; 20% КПД	Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора	Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность

5. Парадокс топливной ячейки

Последнее обновление 2016-02-27

Как устроен топливный элемент - подробно

: Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям; Опубликовано 04.04.2016 04:20; Автор: Abramova Olesya

Рассмотрим наиболее распространенные концепты топливных элементов.

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

На рисунке 2 показан топливный элемент от Toshiba, а на рисунке 3 – процесс его дозаправки метанолом чистотой 99.5%.

Тип топливного элемента	Сфера применения	Рабочая температура и КПД	Преимущества	Недостатки
Мембрана обмена протонов	Стационарные и портативные установки электрогенерации, автотранспорт	50-100°С; 80°С номинал; 35-60% КПД	Компактная конструкция, долгий срок службы, быстрый запуск, развитая технология	Дорогой катализатор, потребность в химически чистом топливе, зависимость от температуры и водных ресурсов
Щелочной	Космос, военная сфера, подводные лодки, транспорт	90-100°С; 60% КПД	Низкие эксплуатационные расходы, отсутствие компрессора, быстрая кинетика катодных процессов	Большой размер, чувствительность к примесям водорода и кислорода
Расплав карбоната	Большие установки электрогенерации	600-700°С; 60% КПД	Высокая эффективность, непритязательность к качеству топлива, когенерация	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
На основе фосфорной кислоты	Средние и большие установки электрогенерации	150-200°С; 40% КПД	Непритязательность к качеству топлива, когенерация	Низкая эффективность, ограниченный срок службы, дорогой катализатор
Твердооксидный	Средние и большие установки электрогенерации	700-1000°С; 60% КПД	Непритязательность к качеству топлива, может использовать природный газ, высокая эффективность	Коррозийные последствия высоких температур, долгое время запуска, недолговечность
С прямым окислением метанола	Портативные, мобильные и стационарные установки электрогенерации	40-60°С; 20% КПД	Компактность, метанол в качестве топлива, отсутствие компрессора	Сложная конструкция ядра, медленная реакция, низкая эффективность

5. Парадокс топливной ячейки

Последнее обновление 2016-02-27

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов - РИА Новости, 10.12.2020

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из... РИА Новости, 10.12.2020

2020-12-10T03:00

наука

томск

томский политехнический университет

российская академия наук

навигатор абитуриента

университетская наука

/html/head/meta[@name='og:title']/@content

/html/head/meta[@name='og:description']/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0c/09/1588421675_0:308:3001:1996_1920x0_80_0_0_978e2add504e70b3dd7efaa46490a8d6.jpg

МОСКВА, 10 дек - РИА Ноовсти. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Вместе с учеными из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) они предложили новый метод получения одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита. Он позволит увеличить срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.По словам ученых, они впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. С помощью этого метода они получили очень тонкий слой электролита, толщиной не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100°С, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.Твердооксидные топливные элементы можно считать "сердцем" водородной энергоустановки. Они превращают энергию топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, например, с метаном и бутаном, а также с водородом.Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается, водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества, отметил доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев."Во-первых, у них электрический коэффициент полезного действия достигает 60%, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций – 40%. Во-вторых, они экологичные, поэтому на них сегодня обращают внимание во всем мире. Однако они до сих пор широко не распространены, и ученые ищут методы и способы получения еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно успешно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили толщину слоя в пять микрон – один из лучших результатов среди других методов нанесения электролитов", — рассказал он.Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешении. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Сам электролит представляет собой тонкую пленку из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.В Томском политехе для нанесения таких покрытий была создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления."Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850°С. Наши же за счет тонкого электролита – при температуре в 750°С. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградации материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это позволяет получать больше энергии при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания", — отметил Смолянский.По инициативе ТПУ был создан консорциум "Технологическая водородная долина". Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

https://ria.ru/20201028/mifi-1581726016.html

https://ria.ru/20201013/tpu-1579430871.html

томск

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0c/09/1588421675_97:0:2758:1996_1920x0_80_0_0_043ff35223a48f63ffc766a38bf949f0.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

томск, томский политехнический университет, российская академия наук, навигатор абитуриента, университетская наука

МОСКВА, 10 дек - РИА Ноовсти. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Вместе с учеными из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) они предложили новый метод получения одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита. Он позволит увеличить срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.

По словам ученых, они впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. С помощью этого метода они получили очень тонкий слой электролита, толщиной не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100°С, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.

Твердооксидные топливные элементы можно считать "сердцем" водородной энергоустановки. Они превращают энергию топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, например, с метаном и бутаном, а также с водородом.

28 октября 2020, 09:00НаукаВ России придумали новый тип накопителей водородного топлива

Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается, водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.

У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества, отметил доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев.

"Во-первых, у них электрический коэффициент полезного действия достигает 60%, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций – 40%. Во-вторых, они экологичные, поэтому на них сегодня обращают внимание во всем мире. Однако они до сих пор широко не распространены, и ученые ищут методы и способы получения еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно успешно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили толщину слоя в пять микрон – один из лучших результатов среди других методов нанесения электролитов", — рассказал он.

Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешении. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Сам электролит представляет собой тонкую пленку из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.

"Суть метода магнетронного распыления заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени ионами рабочего газа, обычно аргона, и последующем их осаждении на подложке", — рассказал инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Егор Смолянский.

В Томском политехе для нанесения таких покрытий была создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления.

"Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850°С. Наши же за счет тонкого электролита – при температуре в 750°С. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградации материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это позволяет получать больше энергии при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания", — отметил Смолянский.

13 октября 2020, 03:00НаукаВодородное топливо станет дешевле благодаря российским ученым

По инициативе ТПУ был создан консорциум "Технологическая водородная долина". Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Топливные элементы (топливные ячейки)

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 (CO₃^2-). 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: CO₃^2- + H₂ => H₂O + CO₂ + 2e^-
Реакция на катоде: CO₂ + ¹/₂O₂ + 2e^- => CO₃^2-
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.

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 (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 (C_sHSO₄) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO₄^2-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.

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

Вследствие быстрого распространения систем беспроводной связи во всем мире, а также роста социально-экономических выгод технологии мобильных телефонов, необходимость надежного и экономичного резервного электропитания приобрела определяющее значение. Убытки электросети на протяжении года вследствие плохих погодных условий, стихийных бедствий или ограниченной мощности сети представляют собой постоянную сложную проблему для операторов сети.

Традиционные телекоммуникационные решения в области резервного электропитания включают батареи (свинцово-кислотный элемент аккумуляторной батареи с клапанным регулированием) для резервного питания в течение непродолжительного времени и дизельные и пропановые генераторы для более продолжительного резервного питания. Батареи являются относительно дешевым источником резервного питания на 1 – 2 часа. Однако батареи не подходят для более продолжительного резервного питания, так как их техническое обслуживание является дорогим, они становятся ненадежными после долгой эксплуатации, чувствительны к температурам и опасны для окружающей среды после утилизации. Дизельные и пропановые генераторы могут обеспечить продолжительное резервное электропитание. Однако генераторы могут быть ненадежными, требуют трудоемкого технического обслуживания, выделяют в атмосферу высокие уровни загрязнений и газов, вызывающих парниковый эффект.

С целью устранения ограничений традиционных решений в области резервного электропитания была разработана инновационная технология экологически чистых топливных ячеек. Топливные ячейки надежны, не производят шума, содержат меньше подвижных деталей, чем генератор, имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем батарея: от -40°C до +50°C и, как результат, обеспечивают чрезвычайно высокий уровень энергосбережения. Кроме того, затраты на такую установку на протяжении срока эксплуатации ниже затрат на генератор. Более низкие затраты на топливную ячейку являются результатом всего одного посещения с целью технического обслуживания в год и значительно более высокой производительностью установки. В конце концов, топливная ячейка представляет собой экологически чистое технологическое решение с минимальным воздействием на окружающую среду.

Установки на топливных ячейках обеспечивают резервное электропитание для критически важных инфраструктур сети связи для беспроводной, постоянной и широкополосной связи в системе телекоммуникаций, в диапазоне от 250 Вт до 15 кВт, они предлагают множество непревзойденных инновационных характеристик:

НАДЕЖНОСТЬ – малое количество подвижных деталей и отсутствие разрядки в режиме ожидания
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ТИШИНА – низкий уровень шумов
УСТОЙЧИВОСТЬ – рабочий диапазон от -40°C до +50°C
АДАПТИВНОСТЬ – установка на улице и в помещении (контейнер/защитный контейнер)
ВЫСОКАЯ МОЩНОСТЬ – до 15 кВт
НИЗКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ – минимальное ежегодное техническое обслуживание
ЭКОНОМИЧНОСТЬ - привлекательная совокупная стоимость владения
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ – низкий уровень выбросов с минимальным воздействием на окружающую среду

Система все время чувствует напряжение шины постоянного тока и плавно принимает критические нагрузки, если напряжение шины постоянного тока падает ниже заданного значения, определенного пользователем. Система работает на водороде, который поступает в батарею топливных ячеек одним из двух путей – либо из промышленного источника водорода, либо из жидкого топлива из метанола и воды, при помощи встроенной системы риформинга.

Электричество производится батареей топливных элементов в виде постоянного тока. Энергия постоянного тока передается на преобразователь, который преобразует нерегулируемую электроэнергию постоянного тока, исходящую от батареи топливных ячеек, в высококачественную регулируемую электроэнергию постоянного тока для необходимых нагрузок. Установка на топливных ячейках может обеспечивать резервное электропитание на протяжении многих дней, так как продолжительность действия ограничена только имеющимся в запасе количеством водорода или топлива из метанола/воды.

Топливные элементы предлагают высокий уровень энергосбережения, повышенную надежность системы, более предсказуемые эксплуатационные качества в широком спектре климатических условий, а также надежную эксплуатационную долговечность в сравнении с комплектами батарей со свинцово-кислотными элементами с клапанным регулированием промышленного стандарта. Затраты на протяжении срока эксплуатации также более низкие, вследствие значительно меньшей потребности в техническом обслуживании и замене. Топливные ячейки предлагают конечному пользователю экологические преимущества, так как затраты на утилизацию и риски ответственности, связанные со свинцово-кислотными элементами, вызывают растущее беспокойство.

На эксплуатационные характеристики электрических батарей может отрицательно повлиять широкий спектр факторов, таких как уровень зарядки, температура, циклы, срок службы и другие переменные факторы. Предоставляемая энергия будет различной в зависимости от этих факторов, ее нелегко предсказать. Эксплуатационные характеристики топливной ячейки с мембраной обмена протонов (МОПТЯ) относительно не подвержены влиянию этих факторов и могут обеспечивать критически важное электропитание, пока есть топливо. Повышенная предсказуемость является важным преимуществом при переходе на топливные ячейки для критически важных сфер использования резервного электропитания.

Топливные элементы генерируют энергию только при подаче топлива, подобно газотурбинному генератору, но не имеют подвижных деталей в зоне генерирования. Поэтому, в отличие от генератора, они не подвержены быстрому износу и не требуют постоянного технического обслуживания и смазки.

Топливо, используемое для приведения в действие преобразователя топлива с повышенной продолжительностью действия, представляет собой топливную смесь из метанола и воды. Метанол является широкодоступным, производимым в промышленных масштабах топливом, которое в настоящее время имеет множество применений, среди прочего стеклоомыватели, пластиковые бутылки, присадки для двигателя, эмульсионные краски. Метанол легко транспортируется, может смешиваться с водой, обладает хорошей способностью к биоразложению и не содержит серы. Он имеет низкую точку замерзания (-71°C) и не распадается при длительном хранении.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Сети засекреченной связи нуждаются в надежных решениях в области резервного электропитания, которые могут функционировать на протяжении нескольких часов или нескольких дней в чрезвычайных ситуациях, если электросеть перестала быть доступной.

При наличии незначительного числа подвижных деталей, а также отсутствии снижения мощности в режиме ожидания, инновационная технология топливных ячеек предлагает привлекательное решение в сравнении с существующими в настоящий момент системами резервного электропитания.

Самым неопровержимым доводом в пользу применения технологии топливных ячеек в сетях связи является повышенная общая надежность и безопасность. Во время таких происшествий, как отключения электропитания, землетрясения, бури и ураганы, важно, чтобы системы продолжали работать и были обеспечены надежной подачей резервного электропитания на протяжении длительного периода времени, независимо от температуры или срока эксплуатации системы резервного электропитания.

Линейка устройств электропитания на основе топливных ячеек идеально подходит для поддержки сетей засекреченной связи. Благодаря заложенным в конструкцию принципам энергосбережения, они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до нескольких дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт.

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Надежное электропитание для сетей передачи данных, таких как сети высокоскоростной передачи данных и оптико-волоконные магистрали, имеет ключевое значение во всем мире. Информация, передаваемая по таким сетям, содержит критически важные данные для таких учреждений, как банки, авиакомпании или медицинские центры. Отключение электропитания в таких сетях не только представляет опасность для передаваемой информации, но и, как правило, приводит к значительным финансовым потерям. Надежные инновационные установки на топливных ячейках, обеспечивающие резервное электропитание, предоставляют надежность, необходимую для обеспечения непрерывного электропитания.

Установки на топливных ячейках, работающие на жидкой топливной смеси из метанола и воды, обеспечивают надежное резервное электропитание с повышенной продолжительностью действия, вплоть до нескольких дней. Кроме того, эти установки отличаются значительно сниженными требованиями в отношении технического обслуживания в сравнении с генераторами и батареями, необходимо лишь одно посещение с целью технического обслуживания в год.

Типичные характеристики мест применений для использования установок на топливных ячейках в сетях передачи данных:

Применения с количествами потребляемой энергии от 100 Вт до 15 кВт
Применения с требованиями в отношении автономной работы > 4 часов
Повторители в оптико-волоконных системах (иерархия синхронных цифровых систем, высокоскоростной Интернет, голосовая связь по IP-протоколу…)
Сетевые узлы высокоскоростной передачи данных
Узлы передачи по протоколу WiMAX

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для критически важных инфраструктур сетей передачи данных в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами, позволяя повысить возможности использования на месте:

Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.
Благодаря тихой работе, малой массе, устойчивости к перепадам температур и функционированию практически без вибраций топливные элементы можно устанавливать вне здания, в промышленных помещениях/контейнерах или на крышах.
Приготовления к использованию системы на месте быстры и экономичны, стоимость эксплуатации низкая.
Топливо обладает способностью к биоразложению и представляет собой экологически чистое решение для городской среды.

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Самые тщательно разработанные системы безопасности зданий и системы связи надежны лишь настолько, насколько надежно электропитание, которое поддерживает их работу. В то время как большинство систем включает некоторые типы систем резервного бесперебойного питания для краткосрочных потерь мощности, они не создают условия для более продолжительных перерывов в работе электросети, которые могут иметь место после стихийных бедствий или терактов. Это может стать критически важным вопросом для многих корпоративных и государственных учреждений.

Такие жизненно важные системы, как системы мониторинга и контроля доступа с помощью системы видеонаблюдения (устройства чтения идентификационных карт, устройства для закрытия двери, техника биометрической идентификации и т.д.), системы автоматической пожарной сигнализации и пожаротушения, системы управления лифтами и телекоммуникационные сети, подвержены риску при отсутствии надежного альтернативного источника электропитания питания продолжительного действия.

Дизельные генераторы производят много шума, их тяжело разместить, также хорошо известно о проблемах с их надежностью и техническим обслуживанием. В противоположность этому, установка на топливных ячейках, обеспечивающая резервное электропитание, не производит шума, является надежной, выбросы, выделяемые ей, равны нулю или весьма низки, ее легко установить на крыше или вне здания. Она не разряжается и не теряет мощность в режиме ожидания. Она обеспечивает непрерывную работу критически важных систем, даже после того, как учреждение прекратит работу и здание будет покинуто людьми.

Инновационные установки на топливных ячейках защищают дорогостоящие вложения критически важных сфер применения. Они обеспечивают экологически чистое, надежное резервное питание с повышенной продолжительностью действия (до многих дней) для использования в диапазоне мощностей от 250 Вт до 15 кВт в сочетании с многочисленными непревзойденными характеристиками и, особенно, высоким уровнем энергосбережения.

Установки на топливных ячейках для резервного электропитания предлагают многочисленные преимущества для использования в критически важных сферах применения, таких как системы обеспечения безопасности и управления зданиями, в сравнении с традиционными автономными батареями или дизельными генераторами. Технология жидкого топлива позволяет решить проблему размещения водорода и обеспечивает практически неограниченную работу резервного электропитания.

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

На твердооксидных топливных ячейках (ТОТЯ) построены надежные, энергетически эффективные и не дающие вредных выбросов теплоэнергетические установки для выработки электроэнергии и тепла из широко доступного природного газа и возобновляемых источников топлива. Эти инновационные установки используется на самых различных рынках, от домашней выработки электричества до поставок электроэнергии в удаленные районы, а также в качестве вспомогательных источников питания.

Эти энергосберегающие установки производят тепло для отопления помещений и подогрева воды, а также электроэнергию, которая может быть использована в доме и отведена назад в электросеть. Распределенные источники выработки электроэнергии могут включать фотогальванические (солнечные) элементы и ветровые микротурбины. Эти технологии на виду и широко известны, однако их работа зависит от погодных условий и они не могут стабильно вырабатывать электроэнергию круглый год. По мощности теплоэнергетические установки могут варьироваться от менее чем 1 кВт до 6 МВт и больше.

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Малые теплоэнергетические установки предназначены для работы в распределенной сети выработки энергии, состоящей из большого числа малых генераторных установок вместо одной централизованной электростанции.

На рисунке ниже указаны потери эффективности выработки электроэнергии при ее выработке на ТЭЦ и передаче в дома через традиционные сети электропередач, используемые на данный момент. Потери эффективности при централизованной выработке включают потери с электростанции, низковольтной и высоковольтной передачи, а также потери при распределении.

Рисунок показывает результаты интеграции малых теплоэнергетических установок: электричество вырабатывается с эффективностью выработки до 60% на месте использования. В дополнение к этому, домохозяйство может использовать тепло, вырабатываемое топливными ячейками, для нагрева воды и помещений, что увеличивает общую эффективность переработки энергии топлива и повышает уровень энергосбережения.

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Одной из важнейших задач в нефтедобывающей промышленности является утилизация попутного нефтяного газа. Существующие методы утилизации попутного нефтяного газа имеют массу недостатков, основной из них – они экономически невыгодны. Попутный нефтяной газ сжигается, что наносит огромный вред экологии и здоровью людей.

Инновационные теплоэнергетические установки на топливных элементах, использующие попутный нефтяной газ в качестве топлива, открывают путь к радикальному и экономически выгодному решению проблем по утилизации попутного нефтяного газа.

Одно из основных преимуществ установок на топливных элементах заключается в том, что они могут надежно и устойчиво работать на попутном нефтяном газе переменного состава. Благодаря беспламенной химической реакции, лежащей в основе работы топливного элемента, снижение процентного содержания, например метана, вызывает лишь соответствующее уменьшение выходной мощности.
Гибкость по отношению к электрической нагрузке потребителей, перепаду, набросу нагрузки.
Для монтажа и подключения теплоэнергетических установок на топливных ячейках их внедрения не требуются идти на капитальные затраты, т.к. установки легко монтируются на неподготовленные площадки вблизи месторождений, удобны в эксплуатации, надежны и эффективны.
Высокая автоматизация и современный дистанционный контроль не требуют постоянного нахождения персонала на установке.
Простота и техническое совершенство конструкции: отсутствие движущихся частей, трения, систем смазки дает значительные экономические выгоды от эксплуатации установок на топливных элементах.
Потребление воды: отсутствует при температуре окружающей среды до +30 °C и незначительное при более высоких температурах.
Выход воды: отсутствует.
Кроме того, теплоэнергетические установки на топливных элементах не шумят, не вибрируют, не дают вредных выбросов в атмосферу

Как работает водородный топливный элемент в автомобиле?

Топливные элементы, широко известные как водородные, представляют собой устройства, которые благодаря химическому преобразованию водорода и кислорода позволяют производить электричество. Принцип действия ячеек был открыт еще в 19 веке, но впервые они были использованы во время американских космических миссий во второй половине прошлого века.

На протяжении более двух десятилетий технология топливных элементов также разрабатывалась в автомобильной промышленности, и на рынке есть несколько моделей электромобилей из Японии и Кореи, которые получают энергию из водорода.Развитие транспортных средств сопровождается расширением необходимой инфраструктуры для заправки водородом, которая через несколько лет будет иметь несколько тысяч станций по всему миру, большинство из которых расположены и будут находиться в Японии, США и странах ЕС.

Что такое электричество из водорода?

Принцип действия ячейки основан на электрохимической реакции водорода и кислорода с образованием энергии и тепла, а единственным побочным продуктом является вода. В автомобилях весь процесс начинается с подачи водорода из бака высокого давления в ячейку.Сжатый воздух также подается параллельно. В результате реакции в ячейке образуется ток, который преобразуется в переменный и подается на электродвигатель, отвечающий за тягу.

На рынке используются различные типы топливных элементов, но основным критерием классификации является их рабочая температура. Отсюда низкотемпературные и высокотемпературные версии . Рабочая температура первого составляет около 250 градусов Цельсия, второго - около 600 градусов. Благодаря рабочим параметрам в автомобилестроении используются низкотемпературные версии , которые не требуют использования жаропрочных материалов, но для их питания требуется водород высочайшего класса чистоты.

Топливные элементы характеризуются высокой энергоэффективностью, поэтому многие производители автомобилей рассматривают их как источник энергии для автомобилей будущего. Растущее давление в производстве транспортных средств с низким и нулевым уровнем выбросов создает естественную потребность в эффективных и экологически нейтральных силовых установках, таких как водород.

Следуйте за нами в Новостях Google:

.90,000 Топливные элементы Топливные элементы - это устройство, преобразующее химическую энергию топлива и окислителя в электричество. Все типы топливных элементов, в отличие от традиционных методов, вырабатывают электроэнергию без сжигания топлива и окислителя. Это позволяет избежать выброса вредных соединений, в том числе оксиды азота, сера, углеводороды (вызывающие образование озоновой дыры) и оксиды углерода

В современных топливных элементах наиболее часто используемым топливом является водород (h3), а окислителем является кислород (O2), подаваемый в устройство в чистом виде или с атмосферным воздухом.Однако это не означает, что в топливных элементах не используются другие виды топлива. В настоящее время ведутся интенсивные исследования ячеек, питаемых непосредственно метанолом Ch4OH и углеродом (в различных формах), топливом также может быть метан Ch5, муравьиная кислота HCOOH, гидразин N2h5 и аммиак Nh4.

Водород является предпочтительным топливом для большинства ячеек из-за его высокой реакционной способности в присутствии подходящих катализаторов, возможности получения его из углеводородов и высокой плотности энергии при хранении в жидкой форме под высоким давлением при низкой температуре.К сожалению, хотя водород является одним из самых популярных элементов на Земле, он в основном содержится в химических веществах, в первую очередь в виде воды. Водород можно получить из воды электролизом, но, к сожалению, в этот процесс необходимо вложить значительное количество энергии. Поэтому ищут и испытывают другие источники водорода.

Помимо получения водорода, дополнительной проблемой является хранение. Хранение и транспортировка водорода требует предварительного сжатия до определенного давления или восстановления до жидкой формы.Это очень энергоемкие процессы.

Принцип работы

Топливный элемент - это гальванический элемент, в котором топливо - чистый водород или смесь с другими газами - непрерывно подается на анод, а окислитель - чистый кислород или смесь (воздух) - непрерывно подается на анод, катоды. Электрохимические процессы сопровождаются перетеканием электрона от анода к катоду. Замыкание цепи происходит благодаря ионам, переносимым электролитом.Электрохимическая реакция водорода и кислорода дает электричество, воду и тепло. Реагенты поступают в топливный элемент непрерывно и теоретически не выгружаются. Фактически, деградация или отказ компонентов сокращает срок службы топливного элемента.

Так называемая аккумуляторная батарея на топливных элементах Пакет состоит из отдельных элементов, каждый из которых включает анод, катод и матрицу электролита. Элементы разделены биполярными пластинами, снабженными каналами для подачи реагентов

Строительство батареи топливных элементов

Источник: www.imiue.polsl.pl

Приложения

Согласно заявке и связанной с ней электроэнергии топливные элементы можно разделить на следующие группы:
1. Портативные системы с низким энергопотреблением (менее 0,5 кВтэ) на основе элементов PEMFC и DMFC (удаленные устройства, ноутбуки, мобильные телефоны. , камеры и т. д.)
2. Стационарные системы малой мощности в диапазоне от 1 кВт до 10 кВт, в основном на основе элементов PEMFC и SOFC для бытовых и коммунальных приложений (прачечные, аварийное электроснабжение, светофоры и т. д.))
3. PEMFC в транспортном секторе в диапазоне мощностей 50-100 кВтэ и выше (легковые автомобили, тяжелые автомобили или вилочные погрузчики),
4. Стационарные системы средней мощности (от 10 кВт до 200 кВтэ и выше), для муниципальных и других (школы, больницы, полицейские участки, промышленные здания, центры обработки данных, аэровокзалы, очистные сооружения, малые электростанции и военные объекты)
5. Стационарные системы энергоснабжения большой мощности (более 1 МВт). Эти элементы служат источником энергии для электростанций, вырабатывающих энергию в когенерационных и комбинированных системах (в настоящее время немного выше 10 МВт), а также на крупных промышленных предприятиях

Преимущества топливных элементов:

- Топливный элемент вырабатывает электроэнергию непосредственно из углеводородного топлива и, следовательно, относительная простота системы химического преобразования электроэнергии в электроэнергию.
- Высокая эффективность преобразования химической энергии в электричество по сравнению с другими преобразователями энергии
- Эффективность топливного элемента в меньшей степени, чем размеры устройства
- Побочные продукты, такие как h3O, CO2, N2, чисты и не имеют запаха
- Выбросы SO2, NOX, углеводородов, оксидов углерода и твердых частиц очень малы
- Низкий уровень шума
- Практически любое и компактное место
- Модульная система: простая, быстрая и экономичная конструкция
- Легко расширяемая при возрастающих потребностях
- Топливные элементы могут работать непрерывно, пока есть топливо и окислитель.
- Очень хорошая управляемость - топливный элемент автоматически выбирает топливо и окислитель в количествах, соответствующих нагрузке на электрической стороне
- Возможность очень высоких временных перегрузок и работа с низким нагрузки, без холостого хода

Недостатки топливного элемента:

- Низкое напряжение, получаемое от одиночного элемента (
- Производство постоянного тока (иногда это является преимуществом).
- Дорогие материалы для катализаторов.
- Относительно низкая мощность, получаемая от модуля.

Топливные элементы - это современная технология, которая все еще находится на стадии разработки, особенно в отношении хранения водорода. Реальная энергоэффективность топливных элементов составляет порядка 70% при использовании тепла.

Что такое топливный элемент? | Cummins Inc.

Топливные элементы не новы. Фактически, первое упоминание о водородных топливных элементах появилось в 1838 году в декабрьском выпуске журналов London and Industry Magazines Exhaust Profit и Journal of Science за года. Спустя почти 200 лет мир признает, что топливные элементы являются ключевой технологией для открытия углеродно-нейтрального будущего.

Вот что они собой представляют, как они работают и в какие два типа топливных элементов вкладывается компания Cummins.

Что такое простой топливный элемент?

Как и батареи, топливные элементы являются преобразователями энергии - они используют электрохимическую реакцию, чтобы использовать химическую энергию, хранящуюся в источнике топлива, и преобразовать ее в электричество. В отличие от батарей, которые содержат постоянный запас энергии, топливные элементы не нужно заряжать. Пока топливо непрерывно подается в топливный элемент, производятся электричество, вода и тепло.

Как работает топливный элемент?

Топливный элемент состоит из двух электродов и электролитной мембраны. Электроды называются катодом и анодом, между ними находится электролитическая мембрана. В этой системе происходит ряд химических реакций, отделяющих электроны от молекул топлива с целью создания энергии.

Топливо, обычно водород, подается на анод с одной стороны, а кислород подается на катод с другой. Молекулы водородного топлива на аноде разделяются на протоны и электроны, которые движутся к катоду разными путями.Электроны проходят через электрическую цепь, чтобы создать поток электричества. Протоны проходят через электролит к катоду. Попадая на катод, молекулы кислорода вступают в реакцию с электронами и протонами с образованием молекул воды.

Топливный элемент - это чистый источник энергии, единственными побочными продуктами которого являются электричество (мощность), тепло и вода. Один только топливный элемент производит лишь небольшое количество энергии; поэтому несколько топливных элементов могут быть сложены вместе, чтобы сформировать батарею топливных элементов.При объединении в штабели мощность топливных элементов может варьироваться в широких пределах: от нескольких киловатт до установок мощностью в несколько мегаватт.

Какие виды топлива можно использовать в топливных элементах?

Топливные элементы обеспечивают гибкость в выборе типа топлива, которое можно использовать. Хотя водород является наиболее распространенным источником топлива для топливных элементов (отсюда и общее название «водородные топливные элементы»), богатые водородом топлива, такие как природный газ и аммиак, также являются жизнеспособным источником топлива.

Hydro: При производстве с использованием возобновляемой электроэнергии, такой как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, водород полностью декарбонизируется и производит нулевые выбросы. Водородные топливные элементы (то есть топливные элементы, работающие на водороде) генерируют энергию, тепло и воду и не выделяют в воздух углекислый газ или другие загрязнители.

Газ: Из-за непрерывного производства зеленого водорода природный газ в настоящее время является наиболее широко используемым топливом для топливных элементов.В этом случае топливные элементы не полностью свободны от выбросов, но предлагают значительно более низкие выбросы выхлопных газов, чем другие виды топлива, такие как сырая нефть и уголь.

Аммиак: Аммиак чаще всего используется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Однако в последние годы несколько компаний работали над восточным зеленым аммиаком. Зеленый аммиак производится из водорода, полученного при электролизе воды с использованием альтернативных источников энергии, что делает его еще одним вариантом низкоуглеродного топлива.

В какие топливные элементы вкладывается Cummins?

В настоящее время разрабатываются шесть типов топливных элементов, каждый из которых имеет в основном тип электролита, который они используют. У каждого типа топливных элементов есть свои преимущества, ограничения и потенциальные применения. Компания Cummins увидела потенциал двух типов топливных элементов - топливных элементов с протонообменной мембраной и оксидных топливных элементов - и инвестировала в разработку и применение технологий.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM): Топливные элементы этого типа, известные как топливные элементы с полимерной мембраной, используют полимерный электролит и работают при более низких температурах, составляющих около 80 градусов Цельсия. Топливные элементы Z MEM больше подходят для мобильных и аварийных источников энергии из-за их высокой плотности мощности и возможности быстрого запуска и остановки.

Оксидные топливные элементы (SOMC): SoFCs используют твердый непористый керамический состав в качестве электролита и работают при высоких температурах до 1000 градусов Цельсия.Этот тип топливных элементов наиболее подходит для стационарных применений, поскольку он очень эффективен и гибок с точки зрения расхода топлива. Кроме того, отходящее тепло можно использовать и повторно использовать для повышения общей эффективности системы.

Зачем покупать топливные элементы?

Мы уже являемся лидерами в производстве электролизеров PEM, которые производят зеленый водород путем электролиза, мы работаем над тем, чтобы сделать зеленый водород более доступным для будущего использования в топливных элементах.Cummins получила грант Министерства энергетики США на разработку систем SOFC, благодаря которым наши топливные элементы успешно поддерживают работу электромобилей с аккумуляторным приводом.

Топливные элементы могут предсказывать появление Cummins, но мы не тратим время на то, чтобы выяснить, как разработать нашу технологию для создания безуглеродного будущего.
.
Что такое
топливный элемент

Топливный элемент - это система , которая вырабатывает электричество в результате окисления топлива, подаваемого в него извне . Этот термин теперь относится к альтернативным водородным силовым установкам (водородные автомобили).

Как устроен топливный элемент?

Топливные элементы состоят из двух электродов, изготовленных из металла или графита, с продольными каналами.На анод подается водород, а на катод - кислород (воздух). Внутренние поверхности электродов покрыты катализатором (чаще всего платиной или палладием). Они отделены друг от друга мембраной - это может быть, например, полимерный электролит. Мембрана пропускает положительно заряженные протоны и задерживает электроны.

Топливный элемент - как он работает?

При подаче водорода на анод его атомы распадаются на положительно заряженные протоны. С другой стороны, отрицательно заряженные электроны достигают катода, минуя мембрану.Катализатор превращает молекулы кислорода в анионы, которые вступают в реакцию и притягивают свободные электроны от анода. Мембрана топливного элемента блокирует прямой поток электронов, заставляя их течь таким образом, что можно питать отдельные приемники тока.

Топливные элементы - что может пойти не так?

Топливные элементы чувствительны к низким температурам окружающей среды. Во время мороза вода, образовавшаяся в ячейке, может превратиться в лед. Вредна и высокая температура.Вода в работающей ячейке может вскипеть и необратимо разрушить ее.

Идеальная рабочая температура ячейки - 80 градусов С. Проблема решается т. Н. высокотемпературная ячейка, в которой вместо воды используется мембрана, пропитанная фосфорной кислотой (она имеет гораздо более высокую температуру кипения по сравнению с обычной водой). Кроме того, слишком много серы и окиси углерода могут вызвать неправильную работу топливных элементов.
.
топливных элементов - Институт энергетики

Технология топливных элементов - одна из самых многообещающих технологий производства энергии будущего. Он заключается в прямом преобразовании энергии химических связей в топливе в электричество посредством химических реакций, в основном окисления. Это от природы чистая технология. Уровень вредных выбросов, связанных с работой топливного элемента, ничтожно мал по сравнению, например, с технологией сжигания, поскольку основным компонентом выбросов является водяной пар.КПД топливных элементов значительно превосходит другие типы преобразования энергии - в зависимости от типа топлива электрический КПД типичного элемента находится в диапазоне от 40% до 60%, а общий КПД может достигать 80% - 90%.

Существует много типов топливных элементов, которые подходят как для мобильных, так и для стационарных применений. Институт энергетики разрабатывает технологию твердооксидных топливных элементов (SOFC - Solid Oxide Fuel Cells ). Это высокотемпературные топливные элементы (работающие в диапазоне температур 600 - 1000, ^o C), предназначенные для стационарного применения.Преимуществом ТОТЭ ячеек является возможность использования в качестве топлива не только чистого водорода, но и других видов топлива, таких как природный газ, метанол, синтез-газ (полученный в процессе газификации биомассы или угля), СУГ, СПГ, биогаз и другие. .

Основная цель исследований, связанных с технологией топливных элементов, заключается в снижении затрат, повышении долговечности и переносе технологии из лабораторных в промышленные масштабы. Исследовательская работа в этой области требует передовых знаний во многих областях и междисциплинарного подхода.

В Институте энергетики технология топливных элементов разрабатывается на кафедре высокотемпературных электрохимических процессов и на кафедре керамики CEREL в Богухвале близ Жешува.
.
Как работает водородно-кислородный топливный элемент?

За топливными элементами могут быть будущее электромобилей. Они безвредны для окружающей среды, и в случае водородно-кислородных ячеек единственным продуктом их работы является вода. Мы представляем, как работает такая ссылка.

Топливный элемент - это своего рода генератор энергии. Электричество вырабатывается в результате протекающей в нем реакции окисления. В отличие от гальванических элементов, то есть известных нам аккумуляторов, напримерсвинцово-кислотные, их не нужно заряжать, а только заправлять соответствующим топливом.

См. Также: Как демонтировать высоковольтные кабели?

Конструкция

Ячейка состоит из двух электродов - отрицательного катода и положительного анода, разделенных тонкой электролитической мембраной, которая проводит только положительные заряды, то есть протоны, и не пропускает электроны. Другими словами, благодаря этой мембране не может происходить перезарядка между анодом и катодом.Электроды обычно изготавливаются из науглероженной бумаги с платиновым покрытием. Платина действует как катализатор и не вступает в реакцию с топливом.

См. Также: Как запрограммировать компьютер после отключения АКБ?

Как работает элемент

Газообразный водород вводится в область анода, где образуются его положительные ионы и отрицательные электроны. Из-за разности потенциалов между анодом и катодом электроны, полученные от водорода, будут перемещаться от одного электрода к другому по электрической цепи, генерируя электричество.На катоде находится кислород с шестью электронами на последней оболочке. Каждый элемент стремится заполнить их до восьми, поэтому всякий раз, когда он встречает другой элемент, он приобретает от него два электрона. То же самое происходит в водородной ячейке, где кислород забирает электроны, перемещающиеся от анода к катоду, становясь отрицательным ионом. Положительные ионы водорода проходят через мембрану и соединяются с кислородом с образованием воды.

Если вы хотите узнать больше, ознакомьтесь с нашими публикациями

SET: изменения НДС с 1 июля 2021 г. + JPK_VAT + НДС в электронной торговле
.
Топливные элементы - Vademecum для учащихся технических вузов

Определение, история

Топливный элемент - это устройство, в котором химическая энергия, содержащаяся в топливе, преобразуется в электричество и тепло. Принцип действия водородных ячеек был открыт в 1838 году швейцарским химиком Кристианом Фридрихом Шёнбайном. Он опубликовал его в выпуске Philosophical Magazine за январь 1839 года, и на основе этой работы валлийский ученый сэр Уильям Гроув создал первый рабочий топливный элемент.Ячейка Грова работала по принципу обратного электролиза воды и вырабатывала небольшое количество электроэнергии. Однако это понятие никем не использовалось. В 1889 году Лангер и Монд попытались построить топливный элемент, работающий на угольном газе. Однако в то же время проводились исследования по созданию двигателя внутреннего сгорания с автоматическим зажиганием (Diesel 1893), и идея топливных элементов была забыта на долгие годы.

Рис. Первый топливный элемент, построенный Уильямом Гровом для производства электроэнергии по принципу обратного электролиза воды.

Только в 1932 году Фрэнсис Бэкон разработал первый успешный щелочной топливный элемент с никелевым электродом, работающий на чистом водороде и кислороде, который уже был предшественником современных решений. Несмотря на доказательство принципа действия, Бэкону и его коллегам потребовалось 27 лет (1959 г.), чтобы показать настоящее устройство мощностью 5 кВт. В том же году Гарри Карл Ириг показал трактор на топливных элементах мощностью 20 л.с. В 1960-е годы наблюдался бум исследований клеток, в основном благодаря космической программе и поиску большой батареи для космического корабля.Топливный элемент кажется здесь идеальным решением, тем более что отходы - вода, столь необходимая для космонавтов. При строительстве кораблей и космических станций создаются первые ячейки с полимерными мембранами PEM или ASC в качестве источника электроэнергии и воды. Такие корабли, как Gemini 5 и 7, серия Apollo или космическая станция Skylab, оснащены топливными элементами.

Рис. Топливный элемент PEM, используемый в космическом корабле Gemini.

Дальнейшее технологическое развитие элементов происходит в восьмидесятые и девяностые годы, что позволило использовать топливные элементы в коммерческих целях, например.в в прототипах автомобилей. На протяжении многих лет ученые пытались преодолеть технический барьер миниатюризации клеток. В 2005 году Intelligent Energy выпустила первый в мире мотоцикл ENV, полностью разработанный для работы на топливных элементах. Нам удалось преодолеть барьеры миниатюризации, создав полимерные элементы, работающие на метаноле - DMFC, что позволяет использовать их в портативном электронном оборудовании, используемом вдали от источников зарядки аккумуляторов, например, в портативных компьютерах - ноутбуках или мобильных телефонах.

Рис. Бостон. Мотоцикл, работающий на гидразине и воздушном топливном элементе. один галлон со скоростью 25 миль в час может покрыть 200 миль.

В настоящее время топливные элементы имеют несколько различных решений, различающихся структурой протонпроводящего электролита или топлива, используемого для реакции. Диапазон рабочих температур составляет от нескольких десятков градусов для кислородно-гидридных ячеек и мембраны PEM до почти 1000 ° C для керамических ячеек.В последнем, SOFC (Solid Oxide Fuell Cell), также известном как высокотемпературный электролит, находится керамический слой оксида циркония ZrO ₂, стабилизированный оксидом иттрия Y ₂ O ₃ (8-10 мол.% ), который при 1000 ° C является отличным проводником анионов кислорода. Топливные элементы использовались в автомобильной промышленности в качестве источника энергии, в качестве источника тепла и электричества в бытовых и промышленных установках, а в последнее время в качестве элемента хранения энергии, использующего водород от электролитического разложения воды для производства электричества и тепла.

13.2
Принцип водородно-кислородного топливного элемента

Эта ячейка состоит из двух электродов (анода и катода), разделенных тонким слоем электролита в виде полимерной обменной мембраны (PEM). Электроды ячейки изготовлены из пористого материала, насыщенного катализатором (например, платиной). В водородно-кислородной ячейке газообразный водород подается на анод, где он окисляется (отдает свободный электрон, e ^-), что приводит к образованию катионов водорода (протонов), H ⁺ в соответствии с реакция.

На катоде поступающий на него кислород реагирует с электронами, восстанавливаясь до иона O2 ^-.

Мембрана PEM проницаема только для протонов, но не пропускает электроны или ионы. O ₂ ^- Таким образом, ионы водорода свободно достигают катодного пространства, реагируя с ионами оксидов и образуя воду. Процесс экзотермический с выделением большого количества тепла.

Электроны от анода достигают катода через электрическую цепь, вырабатывая электричество для питания устройств. Весь процесс показан на диаграмме ниже.

Рис. Схема работы водородно-кислородного топливного элемента с мембраной ПЭМ
.

Первые элементы PEM, произведенные General Electric и использовавшиеся на кораблях Gemini, имели срок службы около 500 часов, что было более чем достаточно для космической миссии.Стоимость производства в них 1 кВт составила 100 000 долларов. . Программа разработки этого типа ячеек была продолжена в сотрудничестве с новым типом полимерной мембраны, названной в 1967 году как Nafion и зарегистрированной под торговой маркой Dupont. Этот тип мембраны стал стандартом для клеток PEM и остается таковым по сей день. Высокая стоимость первых ячеек была вызвана, в том числе, большим количеством платинового Pt-катализатора. На 1 см ² электродов приходилось аж 28 мг платины.В современных элементах это значение уменьшено до 0,2 мг, что радикально снизило затраты на их производство. Чаще всего конструкции топливных элементов являются ячеистыми, с одним элементом анод / полимер / катод толщиной примерно 200 микрон. Такая ячейка генерирует напряжение порядка 1 В, поэтому ячейки затем соединяются пакетами с помощью биполярных пластин. Основная функция биполярных пластин в топливном элементе
- равномерное распределение топлива и окислителя по всей поверхности каждого электрода.Кроме того, они электрически соединяют электроды отдельных элементов и являются структурными элементами батареи топливных элементов. Ячейки PEM достигают полезной мощности 100-500000 Вт.

Рис. Конструкция топливного элемента.

13.3 Классификация и свойства топливных элементов.

В настоящее время топливные элементы можно разделить на четыре основные группы:

Низкотемпературные ячейки (75-80) ºC - применимы в качестве портативных источников энергии (сотовые телефоны, портативные компьютеры и т. Д.)) Этот класс элементов включает: топливный элемент с твердым полимерным электролитом, сокращенно (PEMFC), топливный элемент с прямым метанолом (DMFC) и щелочной топливный элемент, сокращенно (AFC).
• Среднетемпературные ячейки (210 ºC) - также известные как ячейки первого поколения, используемые на электростанциях мощностью до 11 МВт. К этому классу относятся топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC).
• Элементы второго поколения (до 650 ºC). Опытные образцы этой ячейки достигают мощности до 100 кВт. Работа над этим типом клеток в настоящее время активно развивается.Представителем второго поколения элементов является топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC).
• Элементы третьего поколения (650 –1000) ºC - Твердооксидный топливный элемент (SOFC) привлекает наибольшее внимание благодаря своим характеристикам и универсальности. В связи с высокой рабочей температурой
, до 1000ºC, планируется подключение этого типа ячеек в контуры с газовыми или паровыми турбинами. КПД отдельной ячейки достигает 60%, а в цикле с газовой турбиной (напорной системой) даже до 85%.

Рис. Типичные области применения различных топливных элементов.

Таблица. рабочие параметры различных ячеек

.
Смотрите также

Datsun on do характеристики

Устройство воздушного фильтра

История volkswagen

Как можно быстро сломать редуктор

Как вынуть магнитолу из панели без ключей

Давление в рампе дизеля common rail

Виды домкратов для легковых автомобилей

Cvt коробка что это такое

Спортивная ока

Лампа ближнего света cruze

Мицубиси пикап

ЗАПЧАСТИ MAZDA по типу

Детали двигателя

Система охлаждения и кондиционирования

Система подачи топлива

Система электрики и зажигания

Трансмиссия

Ходовая часть

Рулевое управление

Тормозная система

Детали кузова

Осветительные приборы

Фильтры

Ремни, ролики

Другие запчасти

ЗАПЧАСТИ MAZDA по модели

Запчасти на Mazda 3

Запчасти на Mazda 6

Запчасти на Mazda CX-7

Запчасти на Mazda CX-9

СЕРВИС MAZDA

TO Мазды

Диагностика Mazda

Промывка инжектора

Ремонт двигателя

Ремонт топливной системы

Ремонт выхлопной системы

Ремонт ходовой части

Ремонт рулевого управления

Ремонт тормозной системы

Ремонт АКПП

Ремонт МКПП

Кондиционирование, отопление

Ремонт кузова

Ремонт электрики и электрооборудования

Ремонт подвески

Сервис MAZDA по модели

Сервис Mazda 3 в СВАО

Сервис для Mazda 6

Сервис для Mazda CX-7

Сервис для Mazda CX-9

Поделиться:

Как работает водородный топливный элемент

Как работают водородные топливные элементы

Экологичная двигательная установка – как работают водородные топливные элементы?

Факты о водородной двигательной установке – технология будущего или пережиток прошлого?

Воспользуйтесь преимуществами инноваций Knauf Industries — высококлассными компонентами из EPP для водородных топливных элементов

Преимущества водорода с точки зрения автомобилестроения

Как устроен топливный элемент - подробно

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

5. Парадокс топливной ячейки

Как устроен топливный элемент - подробно

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

5. Парадокс топливной ячейки

Как устроен топливный элемент - подробно

2. Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

3. Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)

4. Топливный элемент с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

5. Парадокс топливной ячейки

Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов

Топливные элементы (топливные ячейки)

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ)

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ)

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

Топливные (водородные) элементы/ячейки

Применение топливных элементов/ячеек в системах телекоммуникации

Применение топливных элементов/ячеек в сетях связи

Применение топливных элементов/ячеек в сетях передачи данных

Применение топливных элементов/ячеек в системах безопасности

Применение топливных элементов/ячеек в коммунально-бытовом отоплении и электрогенерации

Применение топливных элементов/ячеек в распределительных сетях

Использование топливных элементов для защиты окружающей среды-утилизация попутного нефтяного газа

Как работает водородный топливный элемент в автомобиле?

Что такое электричество из водорода?

Следуйте за нами в Новостях Google:

Принцип работы

Строительство батареи топливных элементов

Приложения

Преимущества топливных элементов:

Недостатки топливного элемента:

Что такое топливный элемент? | Cummins Inc.

Что такое простой топливный элемент?

Как работает топливный элемент?

Какие виды топлива можно использовать в топливных элементах?

В какие топливные элементы вкладывается Cummins?

Зачем покупать топливные элементы?

Что такое

Как устроен топливный элемент?

Топливный элемент - как он работает?

Топливные элементы - что может пойти не так?

топливных элементов - Институт энергетики

Как работает водородно-кислородный топливный элемент?

Конструкция

Как работает элемент

Топливные элементы - Vademecum для учащихся технических вузов

Смотрите также