Топливные водородные элементы, Инженеры создали дешевый и долговечный водородный топливный элемент
Все эти программы нацелены на создание ТЭ, конкурентоспособных на рынке, с традиционными энергоносителями и созданию водородной инфраструктуры. Новый компактный электрохимический генератор установлен под капотом - он вырабатывает электрический ток в результате химической реакции между кислородом и водородом. Учитывая территориальную удалённость некоторых перспективных областей например, транспортировать полученную фотоэлектрическими станциями электроэнергию из Африки напрямую, по проводам, явно бесперспективно, несмотря на её огромный энергетический потенциал в этом плане , даже работа водорода как «химического аккумулятора» может быть вполне рентабельной.
Топливные элементы — это устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива обычно водорода в электрическую энергию. Эта технология может стать одним из ключевых элементов экологически чистой энергетики, так как топливные элементы работают практически бесшумно, без выбросов вредных веществ и при производстве энергии используются недорогие и доступные ресурсы.
В этой статье мы рассмотрим различные типы топливных элементов и их основные принципы работы. Наряду с батарейками гальваническими элементами и аккумуляторами, давно существует еще один тип химических источников тока, называемый топливным элементом. В отличие от аккумуляторов и гальванических элементов , топливный элемент требует непрерывной подачи в него химических реагентов, при этом химический состав электролита, в процессе работы такого источника, принципиально не изменяется.
Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, непосредственно преобразующее химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. В основном это гальванический элемент, состоящий из двух электродов, разделенных мембраной или электролитом.
Топливо подается к отрицательному электроду аноду , а окислитель к положительному электроду катоду. Два вещества затем каталитически объединяются в пространстве между электродами. Топливный элемент теоретически может работать непрерывно до тех пор, пока подача топлива или окислителя к электродам не будет прервана, поскольку электроды каталитически и реактивно стабильны.
Существует много комбинаций горючего и окислителя. Например, кислородно-водородная ячейка использует водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, производя чистую воду в качестве отходов. Другие ячейки используют в качестве топлива углеводороды и спирты. Вместо чистого кислорода в качестве окислителей можно использовать, например, двуокись хлора. Водородный топливный элемент. Данный метод прямого преобразования химической энергии в электрическую впервые был продемонстрирован в году английским химиком Уильямом Робертом Грове - , открывшим явление возникновения ЭДС в цепи из двух платиновых электродов, один из которых омывался кислородом, а второй — водородом.
Этот устройство, названное Грове топливным элементом, было первым примером водородно-кислородного топливного элемента, который считается классическим типом топливного элемента.
Однако из-за высокой стоимости платины и низкой мощности топливного элемента, его изобретение не получило широкого распространения и признания в течение долгого времени.
Уильям Роберт Грове. Начиная с х годов 20 века интерес к данной теме сильно возрос, в том числе и в СССР, где с года для советской лунной программы разрабатывали фосфорнокислотный топливный элемент.
А в период с по годы на РКК «Энергия» произвели около топливных элементов. Советские топливные элементы были успешно применены в космической программе, в том числе для обеспечения электроснабжения лунных модулей «Луноход-1» и «Луноход-2», а также для запуска спутников «Космос» и «Космос»2.
Кроме того, топливные элементы использовались для питания бортовых систем космического корабля «Буран», который совершил один беспилотный полет в году. Для него был разработан специальный щелочной элемент номинальной мощностью 10 кВт. Фосфорнокислотный топливный элемент имеет электролит на основе концентрированной фосфорной кислоты, а щелочной топливный элемент - на основе раствора гидроксида калия или натрия. Один топливный элемент одна ячейка генерирует постоянный ток при напряжении от 0,6 до 0,9 вольт и способен обеспечить мощность от 0,3 до 0,6 Вт.
Из отдельных элементов собирают большие батареи. Максимальный ток, который можно получить от такой батареи, зависит от общей активной площади поверхности анода и катода. Для понимания габаритов: при мощности батареи топливных элементов до 50 кВт, она без особых трудностей уместится в легковом автомобиле.
Для увеличения напряжения и мощности батареи топливных элементов, отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.
Последовательное соединение увеличивает напряжение, а параллельное - ток. Обычно батарея топливных элементов состоит из нескольких групп элементов, соединенных последовательно, а затем параллельно. Таким образом, можно получить нужные значения напряжения и тока для различных приложений.
Батарея топливных элементов имеет ряд преимуществ перед другими источниками электроэнергии, такими как аккумуляторы или генераторы. Toyota Motor Europe поставит шесть модулей топливных элементов, которые используются в ее последнем автомобиле Mirai. После первоначального тестирования трех модулей в лабораториях CNH2 все шесть будут отправлены в CAF в середине февраля для установки.
Модули будут включены в гибридную силовую установку, которая может питаться от контактной сети, водородных топливных элементов и батареи. Toyota разработала модули как можно более плоскими, чтобы их можно было интегрировать в крышу поезда.
После завершения интеграционных испытаний в Испании и Португалии будут проведены функциональные испытания и пробные запуски такого варианта тяги. CAF обновит поезда метро Каира. Робот-собака Spot — союзник в борьбе с вандализмом на железнодорожных путях.
Путевая машина для обслуживания контактной сети на водороде. Первые топливные элементы были продемонстрированы W. Grove в году. Grove показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - обратим.
То есть водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электричества.
После того как это было продемонстрировано, многие ученые начали изучать топливные элементы, но изобретение двигателя внутреннего сгорания и развитие инфраструктуры добычи нефти во второй половине XIX века оставило развитие топливных элементов далеко позади.
Еще больше сдерживала развитие топливных элементов их высокая стоимость. Всплеск развития топливных элементов пришелся на е годы XX века, когда HACA обратилась к ним в связи с возникшей потребностью в компактном электрогенераторе для космических полетов.
Были вложены соответствующие средства и в результате полеты Apollo и Gemini были осуществлены на топливных элементах. Космические корабли также работают на топливных элементах.
Топливные элементы до сих пор в значительной степени являются экспериментальной технологией, но уже несколько компаний продают их на коммерческом рынке. Только за последние 10 лет были достигнуты значительные успехи в области коммерческой технологии топливных элементов. Среди наиболее очевидных достоинств водородной энергии на базе топливных элементов следует выделить:.
Преобразуя топливо через химическую реакцию прямо в энергию ТЭ, получают больше энергии по сравнению с обычными способами получения энергии через процессы сгорания. Минимальная эмиссия вредных веществ. При использовании водорода в качестве топлива в результате химической реакции выделяются вода, тепло и электроэнергия, а при любом самом совершенном сгорании обычных топлив образуются окислы углерода, азота, оксиды серы и другие продукты сгорания. Уменьшение вредного влияния на окружающую среду, присущего добывающим отраслям промышленности.
ТЭ позволяют избежать нарушения экосистемы, связанного с добычей ископаемых топлив из Земли, так как водород может быть получен из возобновляемых источников энергии. При утечке водорода его парЬ] очень быстро улетучиваются, потому что он легче воздуха. ТЭ могут работать на водороде, который получают из любого известного сегодня топлива газ, спирт, бензин и т. Высокая энергетическая плотность.
Этот показатель постоянно повышается, так как очень активно проводятся исследования технологии производства ТЭ. Низкие рабочие температуры и давление. Удобство в компоновке. ТЭ, обладающие минимальной шумностью и практически нулевой эмиссией вредных веществ, могут быть расположены в самых разных местах как внутри системы, так и снаружи. Потенциальная способность к увеличению эффективности в работе.
Тепло, которое получается в результате химической реакции в ТЭ, может быть утилизировано для нагрева воды, помещений и получения холода. Высокая чувствительность к изменению нагрузки. Для получения дополнительной мощности при работе ТЭ необходимо больше подавать топлива в систему.
То есть это аналогично работе бензинового двигателя: нажимая на педаль газа, увеличиваем мощность автомобиля. Техническая простота. ТЭ не включают никаких подвижных, сопряженных деталей. Отсутствие любого вида движения позволяет получить простую конструкцию с высокой степенью надежности, спокойной работой и меньшей вероятностью отказа.
Водород, применяемый в ТЭ, может быть получен из местных источников топлива: из природного газа, угля, при помощи электролиза воды и биомассы и других возобновляемых источников: ветровой энергии, фотоэлектричества и др.
Использование массивных ресурсов уменьшает зависимость от поставщиков из других регионов и стран, повышает надежность энергоснабжения. Независимость от энергетических систем. Локальные системы с ТЭ позволяют потребителям получать стабильную электроэнергию, не опасаясь нарушения в работе электросетей по разным причинам обледенение проводов, их обрыв и др. По сравнению с батареями ТЭ более компактны, меньше весят.
Для увеличения мощности у ТЭ необходимо подавать больше топлива в систему.
