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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Приставка виртуальной ходьбы 23.12.2021 Японские инженеры представили дополнение к шлему виртуальной реальности - подставки под ноги с вибромоторами, имитирующими ощущение от ходьбы. Система сама подбирает необходимую вибрацию под 360-градусные ролики, оценивая траекторию движения камеры. Как вибрациями почувствовать и шаги по снегу, и прогулку по газону, ученые уточнили в статье, опубликованной в журнале IEEE Access. Системы виртуальной ходьбы можно разделить на активные и пассивные. Во первых вам придется самостоятельно двигать конечностями, чтобы пройтись в виртуальной среде, а во вторых для этого используются сенсорные стимулы и пассивные движения конечностей или всего тела. Иллюзию собственного движения можно создать комбинацией слуховых и тактильных раздражителей, а также, например, дрожью камеры. Также можно электростимулировать мышцы ног или использовать вибрацию. На последнем варианте остановились инженеры Технологического института Тойохаси и научили свой VR-стенд генерировать вибрации для панорамных роликов, снятых с первого лица. Вибрация может передать ощущение податливости почвы (снега, травы и песка), что в дополнение к визуальным стимулам заставит вас ходить в VR-шлеме даже сидя. Ученые предложили систему виртуальной ходьбы, состоящую из стула и двух подставок под ноги, в каждой из которых по два вибромотора. Они создают вибрацию для носка и пятки ноги, причем алгоритм помогает системе подобрать специфические параметры вибрации под каждый тип среды: коридор в здании, газон на улице, бетонная дорога и заснеженная тропа. Создавать специальные вибрации помогает оценка траектории движения точки обзора с помощью одновременной визуальной локализации и отображения (визуальный SLAM). По словам разработчиков, разработанная система может превращать любые 360-градусные видеоролики в реалистичные виртуальные прогулки благодаря вибрациям. Систему также опробовали на добровольцах, оценивших чувство ходьбы, даже если вибрации не совпадали с типом сцены. Хотя уровень реалистичности в соответствии с вибрацией с роликом был гораздо выше.

Другие интересные новости:

▪ Подводная аптека

▪ Электромобиль поднимается быстрее

▪ Осы против самолетов

▪ Интегральный модуль для мощных применений

▪ Новые графические процессоры для ноутбуков от AMD

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Опыты по химии. Подборка статей

▪ статья Менторский тон. Крылатое выражение

▪ статья Какие млекопитающие способны полностью регенерировать кожу на месте ран? Подробный ответ

▪ статья Раскряжевщик и разметчик хлыстов. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Средства для маникюра. Простые рецепты и советы

▪ статья Преобразователь напряжения на таймере 1006ВИ1, 12/30 вольт. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026