Топливные элементы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Водородно-кислородный топливный элемент был открыт в 1838 г. английским ученым У.Гроувом. Он исследовал разложение воды на водород и кислород и обнаружил, что электролизер вырабатывал электрический ток. Выяснилось, что существуют процессы превращения топлива в электричество без горения топлива. А ведь человечество получает электроэнергию в основном за счет сгорания нефти, угля или газа в тепловых электростанциях или ядерного топлива в атомных электростанциях. Процессы с участием горения идут с большими потерями, поэтому любые варианты получения электроэнергии без горения топлива привлекали ученых и инженеров.

Что такое топливный элемент?

В процессе исследований выяснилось, что топливо для топливных элементов нужно готовить. Ведь в природе нет водорода в чистом виде. Его приходится добывать из органического топлива, например, из метана или природного газа.

Топливный элемент - химический источник тока и поэтому состоит из анода, катода и электролита (см. рисунок).

На аноде окисляется восстановитель (водород), который отдает электроны во внешнюю цепь, а положительно заряженные ионы Н+ поступают в электролит. С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на который подается воздух (кислород), и идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем - кислородом). Положительно заряженные ионы водорода (протоны) переносятся электролитом к катоду, где соединяются с отрицательными ионами кислорода и образуют воду Н2О.

Электроды и электролит в реакции не участвуют. Таким образом, на топливный элемент необходимо подавать водород и кислород, удалять воду и снимать электрический ток.

Проблемы с получением водорода привели к попыткам использовать другие восстановители, в частности, окись углерода СО, которую сравнительно просто получить из угля. В 30-е годы ХХ в. немецкий исследователь Э.Бауэр создал лабораторную установку с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В настоящее время кроме угля можно использовать практически любое органическое топливо. Вместо воды в таких топливных элементах выходным продуктом является углекислый газ СО2.

Почему топливные элементы привлекательны как источник электроэнергии?

Во-первых, они более экологически чисты, чем тепловые электростанции. Водородно-кислородные топливные элементы производят воду, а углеродные - углекислый газ, причем на единицу электроэнергии гораздо меньше, чем тепловые электростанции.

Во-вторых, они имеют высокий КПД порядка 40-60% (у крупных тепловых электростанций около 30%). В настоящее время разработаны технологии с КПД до 90%. Это позволяет снизить потребление органического топлива, по крайней мере, в 2 раза. В-третьих, надежность топливных необычайно высока. Вероятность безотказной работы оценивается в "семь девяток" или 99,99999%.

Типы топливных элементов

Эти типы определяются видом электролита, используемого в топливных элементах.

1. Фосфорная кислота. Этот тип топливных элементов в настоящее время серийно производится. Их уже установлено более 200 - в больницах, отелях, школах, офисах. КПД их составляет 40%, но, кроме того, используется и выходной продукт - горячий пар. Рабочая температура в таких топливных элементах около 200°C.

2. Мембраны обмена протонов. Эти элементы работают при более низкой температуре (около 100°C). Мембраны обмена протонов - тонкий слой пластмассы, позволяющий протонам пройти сквозь него. Пластмасса с обеих сторон покрыта слоем металлических частиц (чаще всего платины), являющихся активным катализатором. Такой тип топливных элементов считается наиболее перспективным для автомобилей и как замена батарейкам и аккумуляторам.

3. Расплавленный карбонат. Элементы с таким электролитом работают при температуре около 700°C и могут работать с водородом, окисью углерода, природным газом, пропаном, дизельным топливом и другими веществами. Разработаны промышленные установки мощностью от 10 кВт до 2 МВт. Такие топливные элементы перспективны как стационарные электростанции.

4. Твердые окислы. Вместо жидкого электролита используют твердый керамический материал. Рабочая температура в таком топливном элементе составляет до 1000°C. КПД доходит до 60%. Демонстрируется топливный элемент с мощностью 220 кВт. Такие топливные элементы перспективны как мощные электростанции.

5. Щелочной электролит. Топливные элементы с таким электролитом (КОН) давно используют в космических кораблях США. Их КПД достигает 70%. Но для коммерческих применений они пока слишком дороги.

6. Метанол. По структуре такой элемент похож на элемент с мембраной обмена протонов, но построен так, чтобы извлекать водород из жидкого метанола. КПД порядка 40%. Рабочая температура 50-90°C.

7. Регенеративные топливные элементы. Этот тип топливных элементов находится в стадии исследований. В нем используется замкнутый цикл. Вода разделяется на водород и кислород электролизером на солнечных элементах. Водород и кислород поступают в топливный элемент, который производит электричество, тепло и воду. Вода рециркулирует снова в электролизер, и процесс повторяется. Этот тип топливных элементов перспективен для космических кораблей и станций.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

AirPods Pro с инфракрасными камерами 27.11.2025

Apple традиционно играет роль новатора, поэтому ожидания от следующего поколения AirPods Pro особенно высоки. Новая модель, над которой компания уже активно работает, должна не просто улучшить звук, но и расширить способы взаимодействия человека с цифровой средой. Одним из наиболее заметных нововведений станет появление чипа Apple H3. Сегодняшние AirPods Pro используют поколение H2, обеспечивающее высокую скорость обработки звука, однако переход к H3 обещает еще более точное шумоподавление и сокращение задержки при беспроводной передаче аудио. По данным источников, новая архитектура улучшит энергоэффективность, а также позволит чипу глубже интегрироваться с устройствами экосистемы Apple. Особенно это касается гарнитуры Vision Pro, которая получит более синхронную работу с будущими наушниками. Не менее интригующей выглядит вторая инновация - миниатюрные инфракрасные камеры, встроенные непосредственно в корпус AirPods. Специалисты предполагают, что эти сенсоры смогут фиксировать дв ...>>

ИИ нужно воспринимать как пользователя 26.11.2025

Искусственный интеллект постепенно перестает быть скрытым компонентом программных решений и выходит на передний план. Сегодня алгоритмы не просто помогают обрабатывать данные, но и активно участвуют в рабочих процессах, принимают решения, взаимодействуют с корпоративными сервисами и получают доступ к критически важной инфраструктуре. Такое расширение их возможностей заставляет специалистов по безопасности переосмыслить, что именно означает присутствие ИИ в цифровой среде. Президент по продуктам и технологиям Okta Рик Смит подчеркивает, что воспринимать ИИ исключительно как технологическую надстройку уже невозможно. По его словам, компании обязаны учитывать, что искусственные агенты становятся участниками процессов наравне с живыми сотрудниками, а значит, требуют аналогичных мер защиты. Он формулирует это предельно прямо: "Мы должны защищать клиентов не только от людей, но и от ИИ-агентов - относиться к ним как к пользователям". Однако многие организации продолжают рассматривать И ...>>

Случайная новость из Архива Елочные фермы позитивно воздействуют на природу 31.12.2023 Фермы, выращивающие рождественские ели, оказывают положительное воздействие на экологию. Вместо того чтобы рассматриваться как источник древесины, они могут стать эквивалентом молодых лесов. Обычно каждое собранное дерево заменяется двумя или тремя саженцами, и фермы часто находятся на неиспользуемых сельскохозяйственных угодьях. Рождественские елочные фермы представляют собой не только источник праздничных деревьев, но и важный элемент устойчивого использования природных ресурсов. С их помощью можно совместить потребности человека и природы, создавая благоприятные условия для разнообразия биосистем и сохранения экосистемы. Лесной эколог из Nature Conservancy в Массачусетсе, Энди Финтон, отмечает, что елки играют важную роль в извлечении углерода из атмосферы, очищая воздух и даже улучшая качество питьевой воды. Кроме того, они способствуют сохранению ландшафта, препятствуя образованию непроницаемых поверхностей, и создают экономические стимулы для землевладельцев. Финтон подчеркивает, что при давлении на природные леса и их быстрой утрате древесные фермы могут обеспечить природной среде место обитания для различных видов дикой природы, особенно птиц и млекопитающих, предпочитающих открытые пространства на опушках. Кроме того, елочные фермы являются благоприятным местом для обитания насекомых, играющих ключевую роль в процессе опыления. Многие владельцы ферм свидетельствуют о наблюдении за разнообразной фауной, включая различные виды зверей. Том Норби, президент Тихоокеанской северо-западной рождественской елочной ассоциации, подчеркивает, что фермы ежегодно вырубают лишь небольшую часть деревьев, оставляя около 90% территории для природы и животных.

Другие интересные новости:

▪ Синтетический паучий шелк на основе кишечной палочки

▪ Гибридный хромбук HP Chromebook X2

▪ Гибрид трамвая и автобуса

▪ Голосование в мире животных

▪ Зимой и летом мозг работает по-разному

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Начинающему радиолюбителю. Подборка статей

▪ статья Тайны мадридского двора. Крылатое выражение

▪ статья В какой стране у Санта-Клауса есть отдельный почтовый индекс? Подробный ответ

▪ статья Подготовка трелевочных волоков в горных условиях. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Метроном музыканта. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Нормы испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. Предохранители, предохранители-разъединители. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025