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:

Получение влаги из воздуха без затрат энергии 15.06.2025

Вода - один из важнейших ресурсов на планете, и поиск новых способов ее получения особенно актуален в условиях глобального изменения климата и растущей засухи. Традиционные методы сбора воды из воздуха часто требуют затрат энергии или высокой влажности, что ограничивает их эффективность и применение. Однако группа американских инженеров сделала значительный прорыв, разработав материал, способный извлекать воду из атмосферы без использования дополнительной энергии. Команда исследователей из Пенсильванского университета совместно с учеными из Технического университета Мюнхена представила новый класс наноматериалов, которые используют явление капиллярной конденсации. Этот процесс заключается в том, что водяной пар превращается в жидкость внутри крошечных пор материала, даже при невысокой влажности воздуха. Такое сочетание гидрофильных и гидрофобных элементов внутри наноструктуры позволяет собирать воду там, где традиционные методы оказываются бессильны. В ходе экспериментов ученые и ...>>

Динамическое изменение свойства света 15.06.2025

Современная наука стремится выйти за пределы традиционной электроники, используя свет для передачи и обработки информации. Управление свойствами света открывает новые горизонты в создании оптических компьютеров и устройств следующего поколения. Одним из ключевых направлений является возможность динамически изменять параметры света, такие как его поляризация и хиральность - способность электромагнитной волны вращаться по-разному. Недавнее открытие ученых из Университета Юты стало важным шагом в этом направлении. Исследователи представили инновационную программируемую гетероструктуру - сложный многослойный материал, в котором объединены выровненные углеродные нанотрубки и материалы с изменением фазы, например, германий-сурма-теллур (GST). Такое сочетание позволяет управлять поляризацией света не статично, как это было ранее, а динамично, с возможностью перепрограммирования. Ведущий автор проекта, Вейл Гао, сравнил предыдущие материалы с резными камнями - красивыми, но неподвижными, то ...>>

Холодные душ излечивает от стресса 14.06.2025

Стресс сегодня стал одной из самых распространенных проблем современного общества, и поиск эффективных способов его снижения является важной задачей для науки и медицины. Несмотря на разнообразие методик, не все из них доступны или удобны в повседневной жизни. Однако ученые все чаще обращают внимание на простые и доступные методы, которые могут помочь справиться с психологическим напряжением и улучшить общее самочувствие. Одним из таких способов, доказавшим свою эффективность, является холодный душ. Холодный душ - это простой, доступный и научно обоснованный способ улучшить не только психическое, но и физическое здоровье. Он стимулирует организм, помогает справиться со стрессом, повышает концентрацию и укрепляет силу воли. Несмотря на дискомфорт, который может возникать вначале, регулярное принятие холодных душей способно стать надежным инструментом для улучшения качества жизни. Американские исследователи под руководством Анны Мейер провели серию исследований, которые подтвердили ...>>

Случайная новость из Архива Идентифиция пользователя по бейджу 10.04.2015 Компания RF IDeas специализирующаяся на устройствах для идентификации пользователей по бейджам, представила устройство pcProx Nano, по словам производителя, являющееся самым маленьким в своем роде. По данным источника, более 80% сотрудников в различных отраслях используют в своей деятельности мобильные устройства и компьютеры. Они постоянно используют имена и пароли, а системным администраторам приходится следить за функционированием этой системы. Устройство pcProx Nano позволяет быстро идентифицироваться в системе, что бывает особенно важно в ситуациях, когда множество пользователей имеет доступ к большому числу компьютеров. Устройство для чтения подключается к порту USB и совместимо с новыми бесконтактными картами и старыми, работающими на частоте 125 кГц. В pcProx Nano могут быть заинтересованы госучреждения и частные компании, включая службы обеспечения безопасности населения, производственные предприятия, объекты здравоохранения.

Другие интересные новости:

▪ Электронные сигареты - не лучше обычных

▪ Здоровье смолоду

▪ Облака для парковки

▪ Умная футболка

▪ Игровые механические клавиатуры

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Устройства защитного отключения. Подборка статей

▪ статья Теория обучения. Шпаргалка

▪ статья Как можно отличить ядовитые грибы? Подробный ответ

▪ статья Гравилат городской. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Расчет вертикальной четвертьволновой антенны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Блок питания, 1-29 вольта 2 ампера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025