“опливные элементы

“опливные элементы
“опливный элемент, или электрохимический генератор, -это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электрическую в процессе электрохимической реакции напр€мую, в отличие от традиционных технологий, при которых используетс€ сжигание твЄрдого, жидкого или газообразного топлива.

“опливный элемент (“Ё) напоминает обычную гальваническую батарею - с той разницей, что батаре€ расходует запасЄнную в ней энергию, а “Ё посто€нно подпитываетс€ топливом извне.

ѕринцип действи€ топливных элементов был открыт ещЄ в 1839 г. английским учЄным ”иль€мом √роувом. ќн обнаружил, что процесс электролиза воды, то есть еЄ разложени€ на водород и кислород посредством электрического тока, обратим. ќказалось, что водород и кислород можно объедин€ть в молекулы воды без горени€, но с выделением тепла и электрического тока. ѕрибор, в котором удалось провести такую реакцию, ” √роув назвал газовой батареей (gas battery) - это и был первый топливный элемент.

¬ качестве топлива дл€ “Ё может использоватьс€ не только чистый водород, но и водородосодержащее сырьЄ, например природный газ, аммиак, метанол или бензин. ¬ этих случа€х дл€ предварительного преобразовани€ сырь€ в водород примен€етс€ химический процесс, называемый каталитическим риформингом. »сточником необходимого дл€ реакции кислорода служит воздух. ≈динственный продукт реакции чистого водорода с кислородом - это вод€ной пар. ѕри этом в атмосферу не выбрасываютс€ никакие газы, вызывающие загр€знение воздушной среды. ≈сли же в качестве топлива используетс€, скажем, природный газ (метан), побочными продуктами реакции будут и другие газы, в частности оксиды углерода и азота, однако в значительно меньшем количестве, чем при сжигании такого же количества метана.

ѕринцип действи€

–ассмотрим принцип действи€ топливного элемента на примере простейшего его вида с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). “акой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом и катодом, снабжЄнными катализаторами. ќбычно протонообменна€ мембрана представл€ет собой плЄнку из полимера, в структуре которого сочетаютс€ гидрофобна€ основна€ цепь и боковые фрагменты, содержащие кислотные группы (гидрофильна€ часть). ≈сли в мембране присутствует вода, она собраетс€ вблизи кислотных групп и образует гидратные области (капельки) с линейным размером пор€дка 1 нм. »менно в этих област€х и образуютс€ различные гидратированные формы протонов, способные свободно перемещатьс€.

√идрофобна€ же часть полимера содержит алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты и образует прочный каркас, обеспечивающий механическую прочность мембраны.

¬одород поступает на анод топливного элемента, где его атомы разлагаютс€ на электроны и протоны:

H2 = 2e- + 2H+

Ёлектроны поступают во внешнюю цепь, создава€ электрический ток. ѕротоны, в свою очередь, проход€т сквозь протонообменную мембрану на катодную сторону, где с ними соедин€ютс€ кислород и электроны из внешней электрической цепи с образованием воды:

4H+ + 4e- + O2 = 2H2O

ѕобочными продуктами реакции €вл€ютс€ тепло и вод€ной пар. јнод и катод в PEM-элементе изготовлены из пористого материала, обычно - смеси частиц углерода и платины. ѕориста€ структура электродов необходима дл€ свободного прохождени€ сквозь них реакционных газов. ѕлатина служит катализатором, способству€ протеканию реакции. јнод и катод помещены между двум€ металлическими пластинами, которые подвод€т к электродам водород и кислород, а отвод€т тепло, воду и электрическую энергию.

 оличество производимой электрической энергии зависит от типа “Ё, его геометрических размеров, температуры, давлени€ газа. Ќапр€жение, создаваемое единичным топливным элементом, обычно не превышает 1,1 ¬. ƒл€ получени€ необходимой величины напр€жени€ топливные элементы соедин€ют последовательно в батареи, а дл€ получени€ необходимого тока батареи “Ё включают параллельно. “акие батареи вместе с системами газораспределени€ и терморегулировани€ монтируют в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором.

’имическа€ реакци€ в “Ё других типов (например, с кислотным электролитом) идентична реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной. ¬ любом “Ё часть энергии химического взаимодействи€ выдел€етс€ в виде тепла. –азмыкание внешней цепи или прекращение движени€ ионов водорода останавливает химическую реакцию.

“ипы топливных элементов

¬ насто€щее врем€ известно несколько типов “Ё, различающихс€ составом используемого электролита и другими параметрами.  ратко рассмотрим четыре типа “Ё, которые получили наибольшее распространение.

“Ё с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) функционируют при относительно низких рабочих температурах (60-160°C). ќни отличаютс€ высокой удельной мощностью, позвол€ют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Ќедостаток элементов этого типа - высокие требовани€ к качеству топлива, поскольку его загр€знени€ могут вывести из стро€ мембрану. Ќоминальна€ мощность “Ё составл€ет 1-100 к¬т,  ѕƒ по выходу электроэнергии 30-35%, суммарный  ѕƒ (с учЄтом отдачи тепла) - до 70%.

“Ё на основе ортофосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) имеют диапазон рабочих температур 150-200°C. ќсновна€ область их применени€ - автономные источники тепло- и электроснабжени€ средней мощности (до 500 к¬т). ¬ качестве электролита в этих “Ё используетс€ раствор орто-фосфорной кислоты H3PO4. Ёлектроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассе€н платиновый катализатор.

Ёлектрический  ѕƒ PAFC-элементов составл€ет 37-42%. ќднако, поскольку эти “Ё работают при достаточно высокой температуре, имеетс€ возможность использовать образующийс€ пар дл€ дополнительной генерации. ¬ этом случае общий  ѕƒ может достигать 90%.

“Ё на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) функционируют при очень высоких температурах -600-700°C. Ёто позвол€ет непосредственно использовать водородсодержащее сырьЄ - без применени€ отдельного риформера. “ехнологический процесс, получивший название «внутренний риформинг», позвол€ет значительно упростить конструкцию электрохимического генератора.

¬ “Ё этого типа электролит состоит из солей карбоната кали€ и карбоната лити€, нагретых примерно до 650°C. ¬ этих услови€х соли наход€тс€ в расплавленном состо€нии. Ќа аноде водород взаимодействует с ионами (CO3)2- с образованием воды и диоксида углерода, высвобожда€ электроны, которые направл€ютс€ во внешнюю цепь, а на катоде кислород взаимодействует с диоксидом углерода и электронами из внешней цепи, вновь образу€ ионы (CO3)2-.

“Ё на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени на запуск и не позвол€ют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основна€ область их применени€ - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

ќднако они отличаютс€ высокой эффективностью преобразовани€ топлива - электрический  ѕƒ доходит до 60%, а общий - до 85%. “вЄрдооксидные “Ё (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) характеризуютс€ простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах: 700-1000°C. “акие температуры позвол€ют использовать относительно «гр€зное», слабо очищенное топливо.  ак и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, их область применени€ - крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.

“вЄрдооксидные “Ё конструктивно отличаютс€ от “Ё на основе технологий PAFC и MCFC. јнод, катод и электролит здесь изготовлены из специальных сортов керамики. „аще всего в качестве электролита используетс€ смесь оксида циркони€ и оксида кальци€, но могут примен€тьс€ и другие оксиды. Ёлектролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом.  онструктивно такие элементы выполн€ютс€ в виде трубок или плоских плат, что позвол€ет в их производстве использовать технологии электронной промышленности. Ѕлагодар€ тому, что твЄрдооксидные “Ё могут работать при очень высоких температурах, их выгодно использовать дл€ производства и электрической, и тепловой энергии.

ѕри высоких рабочих температурах на катоде образуютс€ ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образу€ воду и высвобожда€ свободные электроны. ѕри этом водород выдел€етс€ из природного газа непосредственно в элементе, то есть нет необходимости в отдельном риформере.

ќ практическом применении “Ё, их достоинствах и недостатках мы поговорим в публикации, котора€ планируетс€ в одном из номеров газеты «Ёнерговектор».
  • ƒата публикации: 26.12.2012
  • 3893
–Ю–Ю–Ю ¬Ђ–Ф–Х–Ы–Ю–Т–Ђ–Х –°–Ш–°–Ґ–Х–Ь–Ђ –°–Т–ѓ–Ч–Ш¬ї
–Ю—В—А–∞—Б–ї–µ–≤–Њ–є –Є–љ—Д–Њ—А–Љ–∞—Ж–Є–Њ–љ–љ–Њ-–∞–љ–∞–ї–Є—В–Є—З–µ—Б–Ї–Є–є –њ–Њ—А—В–∞–ї, –њ–Њ—Б–≤—П—Й—С–љ–љ—Л–є —Н–љ–µ—А–≥–µ—В–Є–Ї–µ –С–µ–ї–∞—А—Г—Б–Є. –Р–Ї—В—Г–∞–ї—М–љ—Л–µ –љ–Њ–≤–Њ—Б—В–Є –Є —Б–Њ–±—Л—В–Є—П. –Я–Њ–і—А–Њ–±–љ–∞—П –Є–љ—Д–Њ—А–Љ–∞—Ж–Є—П –Њ –Ї–Њ–Љ–њ–∞–љ–Є—П—Е, —В–Њ–≤–∞—А—Л –Є —Г—Б–ї—Г–≥–Є.
220013
–†–µ—Б–њ—Г–±–ї–Є–Ї–∞ –С–µ–ї–∞—А—Г—Б—М
–Ь–Є–љ—Б–Ї
—Г–ї. —Г–ї. –С. –•–Љ–µ–ї—М–љ–Є—Ж–Ї–Њ–≥–Њ, 7, –Њ—Д–Є—Б 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
–≠–љ–µ—А–≥–Њ–С–µ–ї–∞—А—Г—Б—М

–≠–љ–µ—А–≥–Њ–С–µ–ї–∞—А—Г—Б—М

–≠–љ–µ—А–≥–Њ–С–µ–ї–∞—А—Г—Б—М

–≠–љ–µ—А–≥–Њ–С–µ–ї–∞—А—Г—Б—М

191611654
5
5
1
150
150