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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Выращивение зубов непосредственно во рту 17.08.2024 Ученые из Колумбийского университета предложили инновационный метод восстановления зубов, который предполагает их "выращивание" непосредственно во рту человека. Этот подход может стать настоящей революцией в стоматологии, открывая новые возможности для пациентов, страдающих от потери зубов. Время, необходимое для полного восстановления зуба с помощью новой технологии, составляет всего около девяти недель. Идея выращивания зубов принадлежит доктору Джереми Мао, который разработал метод, основанный на использовании стволовых клеток и ДНК человека. Этот метод предполагает применение собственных стволовых клеток пациента для создания основы для нового зуба. Затем клетки начинают срастаться с окружающими тканями, стимулируя процесс естественной регенерации. Основное преимущество этого подхода заключается в том, что вместо использования искусственных имплантатов или протезов, пациенты смогут вырастить собственные зубы, которые будут полностью совместимы с их организмом. Это не только ускорит процесс восстановления, но и сделает его более безопасным, минимизируя риски отторжения и осложнений. Хотя данная технология пока находится на стадии изучения, результаты экспериментов показывают значительный потенциал для внедрения в клиническую практику. Специалисты считают, что этот метод может кардинально изменить подход к лечению зубов и стать стандартом в будущем. Однако перед тем, как эта технология станет доступной в стоматологических клиниках, необходимы дополнительные исследования и испытания. Только после получения убедительных данных о безопасности и эффективности метода можно будет говорить о его широком применении. Таким образом, открытие доктора Мао и его команды представляет собой важный шаг на пути к новому уровню стоматологической помощи. Если исследования будут успешными, миллионы людей по всему миру смогут восстанавливать свои зубы, используя естественные механизмы регенерации собственного организма.

Другие интересные новости:

▪ Инсулин на золоте

▪ Сельскохозяйственные ГМО-культуры под угрозой

▪ Попробовать яблоко можно рукой

▪ Honeywell и Crossbow создают беспроводную измерительную продукцию

▪ Для предсказания инфаркта кватит капельки крови

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Звонки и аудио-имитаторы. Подборка статей

▪ статья Снятие излишек краски с валика. Советы домашнему мастеру

▪ статья Что такое пыльцевой счет? Подробный ответ

▪ статья Сетария. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Простая цветомузыкальная приставка на тиристорах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Флюсы, пасты, чернила, лаки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025