Топливный элемент
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Содержание |
[править] Устройство ТЭ
Топливные элементы — это электрохимические устройства, и у них нет такого жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (см. Цикл Карно). Соответственно, они могут иметь очень высокий коэффицент преобразования химической энергии в электрическую.
[править] Принцип разделения потоков топлива и горючего
Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты.
[править] Пример водородно-кислородного топливного элемента
с протоннообменной мембраной (или «с полимерным электролитом»). Протонно-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции.
На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.
На катализаторе катода, молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).
Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизерами и емкостями для хранения топлива (напр. водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.
[править] Мембрана
Мембрана обеспечивает проводимость ионов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион, полиацетилен и др.) или керамической (оксидной и др.).
[править] Анодные материалы и катализаторы
[править] Катодные материалы и катализаторы
[править] Типы топливных элементов
- Твердооксидный топливный элемент (англ. Solid-oxide fuel cells — SOFC);
- Топливный элемент с протонообменной мембраной (англ. Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC);
- Обратимый топливный элемент (англ. Reversible Fuel Cell);
- Прямой метанольный топливный элемент (англ. Direct-methanol fuel cell — DMFC);
- Расплавной карбонатный топливный элемент (англ. Molten-carbonate fuel cells — MCFC);
- Фосфорнокислый топливный элемент (англ. Phosphoric-acid fuel cells — PAFC);
- Щелочной топливный элемент (англ. Alkaline fuel cells — AFC).
[править] История
[править] История исследований в России
В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.
Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.
Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт. топливные элементы.
В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали шелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.
В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётов Туполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания. К сожалению, известные события в России в конце 1980-х — начале 1990-х годов, не позволили довести работы по водородным авиадвигателям Н. Кузнецова до широкого их применения в транспортной и пассажирской авиации. К настоящему времени сохранились несколько законсервированных работоспособных авиационных двигателей Н. Кузнецова на складах КБ в Самаре.
В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.
В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил к.т. н. Мирзоев Г. К.
[править] Применение топливных элементов
- накопление электрической энергии (на электрических станциях),
- аварийные источники энергии,
- автономное электроснабжение,
- портативная электроника,
- электромобили,
- авиация, космос (бортовое питание),
- подводные лодки, морской транспорт,
- питание сотовых телефонов.
Полная статья Водородная энергетика.
[править] Проблемы топливных элементов
Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива, и других задач.
