Топливные элементы

Подробности
Категория: Естественно-научная секция
Опубликовано: 21.08.2019 19:18
Автор: Super User
Просмотров: 664

Введение

Современная энергетика стоит перед двумя основными проблемами.

Первая это, конечно же, истощение природных запасов углеводородного топлива, что ставит нас в зависимость от оставшихся месторождений. Кроме того все увеличивающиеся темпы потребления этого топлива приводят  серьезным проблемам с экологической обстановкой. Это заставляет сейчас все больший интерес разработчиков направлять на альтернативную энергетику, например, энергию ветра и Солнца. Однако такие источники энергии не постоянны в своей энергоотдаче, например, солнечная батарея вырабатывает электричество только при определенном уровне освещенности (она не работает ночью и в пасмурную погоду). А потребители требуют подачи энергии постоянно.

Но и потребители нагружают электросеть не равномерно по времени суток. Так ночью энергопотребление снижается, но выработка на электростанциях не может останавливаться, это не возможно технически.

Эти две проблемы приводят нас к необходимости создания некоторых аккумулирующих систем. При этом такие системы должны удовлетворять некоторым требованиям:

  • ·долговечность – важно, чтобы аккумулятор мог работать в течение как можно большего количества циклов разрядки/зарядки,
  • ·отсутствие ограничений на минимальный разряд или заряд,
  • ·высокий КПД,
  • ·и, конечно же, экологичность как в процессе изготовления, так и при эксплуатации.

Сейчас предлагаются различные варианты создания таких систем. Есть и вообще достаточно грандиозные, такие как супермаховики и гидроаккумулирующие электростанции. Интересным решением на рынке инновация стали и топливные элементы. Именно эти аккумуляторы мне бы и хотелось изучить в своей работе.

Целью исследования является изучение некоторых свойств, а также применения топливных элементов на примере водородных топливных элементов.

В ходе работы над проектом необходимо решить следующие задачи:

  1. Изучить историю вопроса.
  2. Проанализировать принцип действия.
  3. Изучить классификацию топливных элементов и выбрать вариант для исследований.
  4. Изучить основные характеристики топливных элементов.
  5. Собрать модель топливного элемента.
  6. Провести эксперименты с моделями топливных элементов.

 

История топливных элементов

Идеальным топливным элементом является внутриклеточная органелла митохондрия. Митохондрия с помощью окисления углеводов, белков и жиров до углекислого газа и воды, вырабатывает электрическую энергию за счет разности потенциалов на своих мембранах. Важнейшей инженерной задачей является создание искусственной митохондрии, которая будет расщеплять сахар и целлюлозу.

Сами топливные элементы были открыты в 1839 году английским физиком и химиком сэром  Вильямом Грове. Однажды, при изучении электролиза воды, автор отключил от электрической ячейки батарею и обнаружил, что электроды начали поглощать выделившийся газ при этом вырабатывая ток. Открытый им процесс был назван "холодным горением водорода". В будущем такие электрохимики, как Оствальд и Нернст, развили теоретические основы топливных элементов.

Но сам термин "топливный элемент" появился позднее – в 1889 году он был предложен Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, которые пытались создать устройство для выработки электричества из воздуха и угольного газа.

При обычном горении в кислороде происходит извлечение энергии взрыва (это происходит за счет сжигания топлива), и при этом химическая энергия топлива неэффективно переходит в тепловую энергию, которую еще надо потом преобразовать в электричество. Если реакцию окисления кислородом водорода провести в среде подходящей для проведения синтеза и электрохимических процессов, то при наличии электродов можно напрямую получить электрический ток. Например, если подавать водород к электроду в щелочной среде, получим электроны:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

которые, проходя по внешней цепи, поступают на противоположный электрод, к которому поступает кислород и где проходит реакция:

4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Видно, что в результате получается такая же реакция 2H2 + O2 → H2O  что и при горении Однако, в электрохимическом генераторе получается более эффективный электрический ток с незначительным теплом. Также в топливных элементах в качестве горючего могут использоваться окись углерода,  уголь, спирты, гидразин, д.р. а в качестве окислителей – окись углерода, воздух, перекись водорода, бром, азотная кислота и т.д.

Энергичное развитие топливных элементов продолжалось уже по всему миру. Отметим ученых, сделавших наибольший вклад в познание топливных элементов, таких как В. Жако, П. Яблочкова, Ф. Бэкона, Э. Бауэра, Э. Юста, К. Кордеша. В середине XX века начался новый поток ученых пытающихся решить проблемы топливных элементов. И именно появление новых идей, материалов и технологий в результате оборонных исследований объясняет это. Великим ученым, делающим семимильные шаги в развитии топливных элементов, был П. М. Спиридонов. У Спиридонова элементы давали большую плотность тока 30 мА/см2, что в то время считалось могучим прорывом. В тоже время О. Давтян изобрел установку для электрохимического сжигания генераторного газа, получаемого с помощью газификации угля и окиси углерода. С каждого м3 объема элемента Давтян получил 5 кВт мощности. Именно эта установка являлась первым топливным элементом на твердом электролите. Она имела высокий КПД, но со временем из-за портящегося электролита, требовалось его дальнейшее обслуживание. Давтян сконструировал более мощную установку чуть позже, приводящую в движение тракторную машину. Вместе с ними англичанин инженер и химик электрик Т. Бэкон спроектировал и построил батарею топливных элементов общей мощностью 6 кВт и КПД 80%, работающую на чистом водороде и кислороде, но отношение веса к мощности батареи оказалось слишком низким - такие элементы непригодны для применения и очень дороги для потребителей.

Несколько лет спустя время людей, работающих в одиночку, прошло. Также топливными элементами очень заинтересовалась космическая инфраструктура. С 65 года на топливные элементы тратились уйма средств и возможностей. Труд сотен ученых и инженеров позволил выйти на более высокий уровень, и в 1965г. топливный элемент был испытан в США по программе "Шатл", а в дальнейшем для полетов на Луну на корабле "Аполлон". В СССР разработкой топливных элементов занималось НПО "Квант", тоже для космических программ. Новые материалы появились в те же  годы – твердо полимерные электролиты, состоящие из полимера, например полиэтилен оксида, и электролита, например, соли лития, на основе пленки или пластины, изготовленные из ионообменных полимеров или композиций на их основе, новейшие катализаторы, электроды. И все-таки рабочая плотность тока была небольшой - в пределах 100-200 мА/см2 , а содержание платины на электродах - несколько г/см2. Было очень много проблем, связанных со стабильностью, долговечностью, безопасностью.

Начало более бурное развитие топливных элементов приходится на 1085-2000 гг. и продолжается до сегодняшнего дня. Это было вызвано потребностью в новых, более эффективных источниках энергии. Связано это было, как уже было сказано выше с одной стороны с глобальной экологической проблемой (усиливающемся выбросом парниковых газов при сгорании топлива), а с другой стороны – с исчерпанием запасов топлива. Поскольку в топливном элементе конечным продуктом реакции является вода, мы можем утверждать, что он является наиболее чистым с точки зрения экологического воздействия на природу. Проблема кроется в основном в нахождении эффективного и, самое главное, недорогого способа получения водорода. Огромные финансовые вложения на развитие топливных элементов и генераторов водорода должны привести к технологическому прорыву в этих вопросах. Вполне вероятно, что реальностью может стать  использование топливных элементов в повседневной жизни: в автомобилях, на электростанциях, в элементах для сотовых телефонов. Уже в настоящее время такие автомобильные гиганты, как "Баллард", "Хонда", "Даймлер Крайслер", "Дженерал Моторс" конструируют и создают легковые автомобили и автобусы, работающие на топливных элементах мощностью 50кВт. Рядом компаний разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердо оксидным электролитом мощностью до 500 кВт.

В топливном элементе в отличие от батареек и аккумуляторов – и горючее, и окислитель подаются буквально из воздуха. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы работать практически вечно. В элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество. При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы. Также как и в батарейках, в топливном элементе реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без шума, дыма, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее же объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

 

Принцип действия

Топливный элемент, работающий на водороде и кислороде с полимерным электролитом содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая находится посередине двух электродов — анода и катода. Оба они представляют собой две угольные пластины – матрицы с нанесенным или прикрепленным катализатором — сплавом платиноидов или платиной, и другими композициями.

Катализатор анода, теряющий электроны, диссоциирует с молекулярным водородом и теряет электроны. Так как мембрана не пропускает электроны, отдающиеся во внешнюю цепь, протоны проводятся через мембрану к катоду.

Катализатор катода, действует по-другому, на нем соединяется электрон, проводящийся из внешних коммуникаций, молекула кислорода и появившийся протон, и образует воду, являющуюся единственным продуктом этой реакции, в виде пара или жидкости или совместно.

Топливные элементы не в состоянии сохранять в себе электрическую энергию, так же как разные батарейки и аккумуляторы,  но для некоторых электростанций, которые работают отдельно от коммуникаций и электросистем, и используют непостоянные источники энергии, такие как движение воздушных масс, солнечную радиацию или приливы и отливы. Они образуют устройства для хранения электрической энергии, но только при совместной работе с компрессорами, электролизёрами, и с баллонами для H2. У такой установки общий КПД , т.е. преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию, равен примерно 25-40 %.

 

Характеристики топливного элемента

Оказывается, ни один топливный элемент не имеет жёсткого ограничения на КПД, как и у тепловых машин у них КПД цикла Карно, и такие же минимальные и максимальные температуры.

Не малый КПД достигается с помощью превращения энергии топлива в электрическую энергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сгорает, и полученная паровая или газовая энергия, начинает вращать турбину или вал у двигателя внутреннего сгорания, который тоже вращает, только электрический генератор. Результатом проделанной работы, из-за множества звеньев, и из-за термических ограничений, становится КПД максимум 42-38 %.И из-за выше перечисленных проблем КПД не сделать выше. То у многих топливных элементов КПД равен 60-80 %.

КПД совсем не зависит от уровня загрузки,

Выделившийся водяной пар совсем безвреден для природы. Так же  в районах производства топливных ячеек нужно учитывать эко логичность, так как их производство само уже составляет незначительную, но всё же угрозу, так как не одно производство не может быть безвредным.

По сравнению с традиционными источниками питания топливные элементы намного легче и компактней, практически бесшумны, не перегреваются и эффективней в потреблении энергии.. Эти факторы становятся особенно важными в военной инфраструктуре. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Если начать использовать топливные элементы они внесут значительные улучшения в физические характеристики бойца.

 

Недостатки топливных элементов

Водородная инфраструктура отсутствует. Ее отсутствие мешает внедрению на транспорте топливных элементов. Возникла ситуация «курицы и яйца». Если нет инфраструктуры, то зачем производить водородные автомобили? Если нет водородного транспорта, то зачем создавать водородную инфраструктуру?

При работе большинство элементов выделяют некоторое количество тепла. Поэтому требуется создание сложных технических устройств, предназначенных для организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, для отравления катализаторов некоторыми видами побочных продуктов окисления топлива, утилизации тепла (например, паровые турбины), и прочих задач. Но при этом тепловую энергию позволяет производить высокая температура процесса. Это приводит к  существенному увеличению КПД энергетической установки.

Создание элемента с механизмами самовосстановления решает проблему долговечности мембраны и  отравления катализатора.

С учетом низкой скорости химических реакций, топливные элементы обладают значительной инертностью. Топливные элементы для работы требуют определённого запаса мощности в условиях импульсных или пиковых нагрузок (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи).

Еще существует проблема хранения и получения водорода. Водород должен быть достаточно чистым, чтобы не было быстрого отравления катализатора, и достаточно дешевым, чтобы стоимость для конечного потребителя была рентабельна.

Из простых химических веществ крайностями являются углерод и водород. Водород имеет низкую плотность, большую удельную теплоту сгорания и высокую химическую. А у углерода достаточно высокая плотность,  самая высокая удельная теплота сгорания среди твердых элементов, и к сожалению низкая химическая активность. Углевод, т.е. сахар или то, что является его производными является золотой серединой. В общем цикле дыхания планеты должен участвовать выделяемый углекислый газ, не превышающий предельно допустимых концентраций.

Оказывается, из существующего множества способов производства водорода, многое не используется. Так как все остальные способы пока дорогостоящи в настоящее время около 50% водорода, добывают из природного газа. Так как его второе имя энергоноситель его цена растет с ростом цены его второго названия. Например, средняя цена электроэнергии в США поднялась в 2007 г. до $0,09 за кВт·ч, тогда как общая стоимость электрической энергии, добытой из ветра, составляет $0,04—$0,07. В Японии кВт-час электроэнергии стоит примерно $0,2, что одинаково со стоимостью электрической энергии, сделанной фотоэлектрическими элементами. То есть с ростом цен на энергоносители производство водорода электролизом воды становится более конкурентоспособным.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1% СО.

К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — не возобновляемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15-20 лет производства элементов.

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дешевы, не отравляются основными примесями в дешевом топливе. Обладают специфическими преимуществами. Нечувствительность ферментов к CO и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов

 

Эксперименты с топливными элементами

Самодельный топливный элемент

Для того, чтобы убедиться в простоте изготовления топливных элементов, я решил собрать собственный топливный элемент из подручных средств. Я решил сделать самый простой из этих элементов – водородный. Водород можно получить используя реакцию электролиза воды. Для этого требуется наличие двух электродов. В качестве электродов я решил использовать активированный уголь, он достаточно хорошо пропускает электрический ток. Кроме того он обладает способностью накапливать водород и кислород внутри.

Для изготовления корпуса я взял обрезок дна пластиковой бутылки и к внутренним бортам прикрепил два провода, опущенные в выемки дна. [См. рисунок 1 в Приложениях] Туда засыпал активированного угля из серийных водяных фильтров и зажал его поролоновыми треугольниками прикреплёнными скотчем, так чтобы поступала вода. Потом залил дистиллированную воду и провел зарядку, которая состояла в электролизе воды. Так как активированный уголь очень гигроскопичен, как было сказано выше, то газ накопился внутри электродов. По сути, у нас получился простейший водородный топливный элемент.

Для зарядки мы использовали блок питания с напряжением 30 В. После электролиза продолжительностью 10 минут мы подключили к электродам вольтметр. По показаниям прибора выходило что потенциал, вырабатываемый топливным элементом, равен 0,2 В. Силу тока не удалось измерить в виду ее незначительности. Напряжение понизилось до 0 приблизительно за 5 минут.

Таким образом мы доказали, что процесс изготовления топливных элементов достаточно прост. Конечно, электрические характеристики такого элемента  весьма скромные, однако, при применении достижений современной техники и технологии можно процесс изготовления довести до промышленных образцов.

Эксперименты с моделью автомобиля

Еще одним экспериментом у нас стало измерение мощности кислородно-водородного топливного элемента, установленного в модели автомобиля. Нашей задачей стало построение графика напряжения по времени. Этот график показывает стабильность выработки топливным элементом энергии, а также позволяет оценить временной интервал использования элемента до разрядки.

Для того чтобы увидеть временную характеристику работы топливного элемента, я использовал модель автомобиля с водородным элементом. В качестве «топлива» этот автомобиль использует водород, хранящийся в специальном баке. Водород вырабатывается на специальной водородной станции, которая может быть запитана как от обычных батареек, так и от альтернативных источников энергии, например, солнечной батареи или ветроэлектрогенератора. [См. рисунок 3 в Приложениях] Напряжение на источнике питания я измерял в процессе его холостого хода. Без нагрузки (включенного двигателя) элемент стабильно выдавал 0,8 В. При включении двигателя рабочее напряжение составляло 0,72 В. График строился с шагом в 0,02 В до 0,6 В, после этого было измерено время до полной остановки двигателя. [См. рисунок 2 в Приложениях] Как видно из графика, время работы топливного элемента составляло 5 минут, при зарядке от батареек в 1 минуту, после этого до полной остановки двигателя прошло еще 2,5 минуты. График выглядит достаточно ровно, поэтому этот элемент можно вполне применять в качестве замены химических источников тока.

 

Заключение

Итак, в ходе работы на основе двух экспериментальных установок я смог оценить как технологические, так и физические характеристики топливных элементов. Эти устройства отличает достаточная простота конструкции, которая позволяет достаточно быстро наладить широкомасштабное производство элементов. Внедрение нано технологий в производство позволит повысить эффективность топливных элементов и снизить их удельную стоимость. Именно эти недостатки сдерживают выход на рынок этих устройств.

Если оценивать физические характеристики топливных элементов, то на примере модели автомобиля видно, что они вполне могут заменить классические источники питания.

Конечно, следует помнить, что топливный элемент это всего-навсего аккумулятор электрической энергии, поэтому говорить о нем можно только в составе всего топливно-энергетического комплекса. Этим летом я планирую принять участие в большом коллективном проекте в гимназии, посвященном альтернативной энергетики города Клин.

 

Библиографический список

Книги

  1. Кромптон, Т. Вторичные источники тока [Текст] / Т. Кромптон. – М.: Мир, 1985. – 301с.
  2. Кромптон, Т. Первичные источники тока [Текст] / Т. Кромптон. – М.: Мир, 1986. –326 с.
  3. Багоцкий, В. С. и др. Химические источники тока. [Текст]/ В. С. Багоцкий, А. М. Скундин. – М. : Энергоатомиздат, 1981. – 360 с.

Периодические издания

  1. Радиолюбитель [Текст]: журнал для радиолюбителей и профессионалов / Учредитель ИЧУП «Радиолига» г.Минск. – 2005. – Минск: Издательство ИЧУП «Радиолига», 2005 – №2 – Ежемесячный

Электронные ресурсы

  1. Самодельные топливные и биохимические элементы [Электронный ресурс] // Профессиональный форум: Дом и Дача. URL. http://www.forumhouse.ru (дата обращения 03.10.2011)

 

Приложения

1

Рисунок 1. Установка с самодельным топливным элементом

2

Рисунок 2. График работы топливного элемента, где х – время работы в секундах, у – напряжение в милливольтах

 3

Рисунок 3. Схема установки с моделью автомобиля на топливном элементе: 1) мультиметр, 2) топливный элемент, 3) бак для водорода, 4) водородный генератор