Топливные элементы

Оглавление

Введение 2
1. Топливный элемент 4
2. Классификация топливных элементов 6
3. Принцип действия топливных элементов 11
4. Достоинства и недостатки топливных элементов 15
Заключение 18
Список использованных источников 19

Введение

В последние годы все более возрастает интерес к проблеме высокоэффективных способов преобразования энергии, возникающей на стыке наук: физики, химии, техники. Известно, что электрическая энергия считается основой современной цивилизации. Можно без преувеличения сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. 1Сущность этой проблемы заключается в непосредственном, т. е. без промежуточных стадий, преобразовании одного вида энергии в другой при полном исключении из процесса такого вида энергии, как механическая. К рассматриваемым способам относятся, например, основанное на термоэлектрическом эффекте Зеебека непосредственное превращение тепловой энергии в электрическую, прямое получение холода из электроэнергии при помощи обратного эффекту Зеебека эффекта Пельтье, прямое получение электроэнергии из световой в фотоэлектрических элементах и, наконец, непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую в так называемом топливном элементе.
Все эти физические явления и процессы в принципе уже давно известны и относятся к обычным методам получения энергии. В отличие от атомного реактора, в котором энергия получается как результат перехода одной формы материи в другую, рассмотренные выше методы характеризуются переходом одной формы энергии в другую согласно первому закону термодинамики.
Из всех этих методов получения и аккумулирования энергии наибольшим успехом в настоящее время пользуется метод, основанный на преобразовании накопленного водорода в топливном элементе. Такой успех вызван тем, что разработка топливных элементов требует относительно скромных усилий и затрат в отличие от расщепления или синтеза ядерного горючего, а гораздо более высокий по сравнению с современными тепловыми электростанциями КПД топливного элемента позволяет значительно сэкономить запасы ископаемых видов топлива.
Устройство, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию, называется топливным элементом (ТЭ). Для начала рассмотрим историческое развитие технологии топливного элемента.
Топливный элементТопливные элементы (электрохимические генераторы) представляют весьма эффективный, долговечный, надежный и экологически чистый метод получения энергии. Изначально их применяли лишь в космической отрасли, но сегодня электрохимические генераторы все активней применяются в различных областях: это источники питания мобильников и ноутбуков, двигатели транспортных средств, автономные источники электроснабжения зданий, стационарные электростанции. Часть этих устройств работает в качестве лабораторных прототипов, часть применяется в демонстрационных целях или проходит предсерийные испытания. Однако многие модели уже применяются в коммерческих проектах и выпускаются серийно. 1
Топливный элемент — это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую, в отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива. 2
Рис. 1 - Простейшая схема топливного элемента
С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, т. е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника (Рис. 1.).
Основу ТЭ составляют два электрода, разделенные твердым или жидким электролитом. Топливо и окислитель подаются в полости, граничащие с электродами; на поверхности раздела электролит — электрод в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления. В результате этих реакций образуются ионы А— и В+ (рекомбинирующие затем до конечного продукта реакции АВ) и выделяется (или поглощается) тепло Q. Освободившиеся при реакции окисления топлива электроны создают на соответствующем электроде (аноде) избыточный отрицательный заряд; на катоде в результате реакции восстановления окислителя создается избыточный положительный заряд. 6
При замыкании внешней цепи в ней появляется электрический ток, совершающий полезную работу Епол. Суммарная реакция: А + В = АВ + Q + Eпол. Электролит в ТЭ не только содержит вещества, участвующие в электрохимических реакциях, но и обеспечивает пространственное разделение процессов окисления и восстановления 6. Для эффективной работы ТЭ необходимы развитая поверхность электродов (до сотен квадратных метров на грамм вещества), рациональная организация процессов адсорбции и ионизации молекул реагирующих веществ и отвода электронов и продуктов реакции, высокая чистота реагентов.
Классификация топливных элементовКлассифицируя топливные элементы в соответствии с диапазоном рабочих температур, выделяют 1:
низкотемпературные,
среднетемпературные
высокотемпературные топливные элементы.
К низкотемпературным топливным элементам относятся 1:
твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ),
щелочные топливные элементы (ЩТЭ),
К среднетемпературным топливным элементам относятся фосфорнокислые (ФКТЭ).
К высокотемпературным топливные элементы относятся 1:
расплавкарбонатные (РКТЭ)
твердооксидные (ТОТЭ).
Главное отличие всех типов топливных элементов от аккумуляторов заключается в том, что токообразующие вещества в топливном элементе не закладываются заранее при изготовлении электродов, как для обычных источников тока, а подводятся по мере израсходования.
Топливные элементы классифицируют по типу электролита (Таблица 1).
Таблица 1 - Основные типы топливных элементов
Топливные элементы с щелочным электролитом или щелочные топливные элементы (ЩТЭ). Ионным проводником ЩТЭ служит раствор КОН, имеющий высокую электропроводимость. Такие ТЭ имеют высокую эффективность, и в них используется недорогостоящий катализатор. Однако при изготовлении ЩТЭ большое внимание уделяется герметизации участков, через которые может проникнуть электролит.
При работе ЩТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2Н2 + 4ОН— → 2Н2О + 4е—;
на катоде: О2 + 2Н2О + 4е— → 4ОН— .Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.
Стоит также отметить, что для работы ЩТЭ используются чистые кислород и водород во избежание карбонизации электролита.
Топливные элементы с протонообменной мембраной. Эти топливные элементы функционируют при относительно низких рабочих температурах (40…60 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов — высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану.
Этот тип топливного элемента использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Второе название, используемое в литературе, твердотельный топливный элемент. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо — водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель). С этим связана еще одна классификация ТПТЭ: водород-кислородные ТЭ и водород-воздушные ТЭ.
При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2H2 → 4H+ + 4e— ;на катоде: O2 + 4H+ + 4e— → 2H2O.
Суммарная реакция: 2H2 + O2 → 2H2O.
Этот тип топливных элементов применяется в качестве источника питания для широкого спектра различных устройств от мобильных телефонов до автобусов и стационарных систем питания. Низкая рабочая температура позволяет использовать такие элементы для питания различных типов сложных электронных устройств. Такие элементы перспективны также в качестве автономного источника электроснабжения небольших жилых зданий типа коттеджей. 9
Топливные элементы с прямым преобразованием метанола — это тип ТПТЭ. Основное различие состоит в том, что в качестве топлива используется метанол. 11
При работе топливных элементов с прямым преобразованием метанола происходят следующие реакции:
на аноде: 2CH3OH + 2H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e— ;на катоде: 3О2 + 12H+ + 12e— → 6H2O.
Суммарная реакция: 2CH3OH + 3О2 → 2CO2 + 4H2O.
Метанол является жидким топливом. Это большое преимущество в случае перехода от существующей топливной инфраструктуры. Однако стоит отметить, что метанол — ядовитое вещество, кроме того, эффективность преобразования химической энергии в электрическую в таком элементе мала. Выработка углекислого газа в ходе работы такого топливного элемента также является недостатком в связи с развивающейся тенденцией перехода на экологически чистые источники энергии.
Топливные элементы на основе ортофосфорной кислоты (PAFC). В качестве электролита в этих топливных элементах используется раствор фосфорной кислоты. Электроды выполнены из бумаги, покрытой углеродом, в котором рассеян платиновый катализатор. При работе топливных элементов на основе ортофосфорной кислоты происходят следующие реакции:
на аноде: 2Н2 → 4Н+ + 4е— ;на катоде: О2 + 4Н+ + 4е— → 2Н2О.
Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.
Электрический КПД топливных элементов PAFC составляет 55 %, диапазон рабочих температур — 160…220 °С. Однако, поскольку эти топливные элементы работают при достаточно высокой температуре, то имеется возможность использовать пар, образующийся в результате работы. В этом случае общий КПД может достигать 80 %.
Топливные элементы на основе расплавленного карбоната (MCFC). Топливные элементы данного типа функционируют при очень высоких температурах — 600…700 °С. Такие рабочие температуры позволяют использовать топливо непосредственно в самой ячейке без использования отдельного реформера. Этот процесс получил название «внутренний реформинг». Он позволяет значительно упростить конструкцию топливного элемента. На аноде такого элемента происходит восстановление карбонатиона с образованием паров воды и углекислого газа. Соответственно, СО2 направляется в катодный отсек, а электроны по внешней цепи — на катод. Здесь кислород принимает электроны и реагирует с углекислым газом, образуя карбонат-ионы СО3 11. При работе топливных элементов на основе расплавленного карбоната происходят следующие реакции:
на аноде: 2Н2 + 2 СО2 → 2Н2О + 2СО2 + 4е ;на катоде: О2 + 2СО2 + 4е— → 2 СО32-.
Суммарная реакция: 2Н2 + О2 → 2Н2О.
Преимущества такого ТЭ: КПД около 65 %, отсутствие платины (катализатором с анодной стороны может служить никель, а с катодной — оксид никеля), топливом может быть и водород, и природный газ, и даже дизельное топливо. Основные проблемы: малый срок службы, оборачивающийся высокими эксплуатационными расходами, и высокая стоимость. Топливные элементы на основе расплавленного карбоната требуют значительного времени запуска и не позволяют оперативно регулировать выходную мощность, поэтому основная область их применения — крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
Твердотельные оксидные топливные элементы (ТОТЭ). Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции и функционируют при очень высоких температурах — 800…1000 °С. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Такие же особенности, как и у топливных элементов на основе расплавленного карбоната, определяют и сходную область применения: крупные стационарные источники тепловой и электрической энергии.
ТОТЭ конструктивно отличаются от топливных элементов на основе технологий PAFC и MCFC. Анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут применяться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности 11. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.
При работе ТОТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2Н2 + 2О— → 2Н2О + 4е— ;на катоде: О2 + 4е— → 2О— .Суммарная реакция: 2H2 + O2 → 2H2O.
При высоких рабочих температурах на катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и высвобождая свободные электроны. При этом водород выделяется из природного газа непосредственно в ячейке, т. е. нет необходимости в отдельном реформере. 5
Принцип действия топливных элементовРассмотрим принцип действия топливного элемента на примере простейшего элемента с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM). Такой элемент состоит из полимерной мембраны, помещенной между анодом (положительным электродом) и катодом (отрицательным электродом) вместе с анодным и катодным катализаторами. Полимерная мембрана используется в качестве электролита. Схема PEM-элемента приведена на рис. 2.
Рис.2 - Схема топливного элемента с протонообменной мембраной (PEM-элемента)
Протонообменная мембрана (PEM) представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2—7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение. Эта мембрана функционирует как электролит: разделяет вещество на положительно и отрицательно заряженные ионы в присутствии воды. 4
На аноде происходит окислительный процесс, а на катоде — восстановительный. Анод и катод в PEM-элементе сделаны из пористого материала, представляющего собой смесь частичек углерода и платины. Платина выступает в роли катализатора, способствующего протеканию реакции диссоциации. Анод и катод выполнены пористыми для свободного прохождения сквозь них водорода и кислорода соответственно.
Анод и катод помещены между двумя металлическими пластинами, которые подводят к аноду и катоду водород и кислород, а отводят тепло и воду, а также электрическую энергию. 7
Рис. 3
Молекулы водорода сквозь каналы в пластине поступают на анод, где происходит разложение молекул на отдельные атомы
Положительно заряженные ионы водорода через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка. 1
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи. В результате химической реакции образуется вода
Рис. 4
Затем в результате хемосорбции в присутствии катализатора атомы водорода, отдавая каждый по одному электрону e–, превращаются в положительно заряженные ионы водорода H+, т. е. протоны (рис. 4).
Положительно заряженные ионы водорода (протоны) через мембрану диффундируют к катоду, а поток электронов направляется к катоду через внешнюю электрическую цепь, к которой подключена нагрузка (потребитель электрической энергии) (рис. 5).
Рис. 5
Кислород, подаваемый на катод, в присутствии катализатора вступает в химическую реакцию с ионами водорода (протонами) из протонообменной мембраны и электронами из внешней электрической цепи (рис. 6). В результате химической реакции образуется вода.
Рис. 6
Химическая реакция в топливном элементе других типов (например, с кислотным электролитом, в качестве которого используется раствор ортофосфорной кислоты H3PO4) абсолютно идентична химической реакции в топливном элементе с протонообменной мембраной.
В любом топливном элементе часть энергии химической реакции выделяется в виде тепла.
Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Размыкание внешней цепи или прекращение движения ионов водорода останавливает химическую реакцию. 9
Количество электрической энергии, производимой топливным элементом, зависит от типа топливного элемента, геометрических размеров, температуры, давления газа. Отдельный топливный элемент обеспечивают ЭДС менее 1,16 В. Можно увеличить размеры топливных элементов, однако на практике используют несколько элементов, соединенных в батареи.
Достоинства и недостатки топливных элементовТопливные элементы представляют собой очень эффективный, надежный, долговечный и экологически чистый способ получения энергии. ТЭ энергетически более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания, поскольку для них нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. КПД топливных элементов составляет 50 %, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 12-15 %, а КПД паротурбинных энергетических установок не превышает 40 %. При использовании тепла и воды, получаемой в ходе электрохимической реакции, эффективность топливных элементов еще больше увеличивается.
Важное преимущество топливных элементов — их экологичность. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации топливных элементов очень малы. Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Автономные источники тепло- и электроснабжения могут быть очень выгодны в отдаленных районах и в регионах, для которых характерна нехватка электроэнергии и ее высокая стоимость, но в то же время имеются запасы водородосодержащего сырья (нефти, природного газа).
Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части), долговечность и простота эксплуатации. Кроме того, топливный элемент открывает перспективы для развития электротранспорта, не создающего при движении запахов и шума. 8
Одной из проблем при работе топливного элемента является то, что электрохимическая реакция идет при комнатной температуре очень медленно, чтобы прореагировала заметная часть молекул нужны сотни лет. Для топливного элемента это оборачивается очень низкой удельной мощностью. Для ускорения анодной и катодной реакций используют дорогостоящий катализатор или поднимают температуру ячейки. Не стоит забывать и том, что наиболее эффективно использовать в качестве топлива чистого водорода, однако это потребует создания специальной инфраструктуры для его выработки, очистки и транспортировки. В перспективе рассматривается возможность использования экологически чистых возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии или энергии ветра) для разложения воды на водород и кислород методом электролиза, а затем преобразования получившегося топлива в топливном элементе. Такие комбинированные установки, работающие в замкнутом цикле, могут представлять собой совершенно экологически чистый, надежный, долговечный и эффективный источник энергии.
Один из основных недостатков топливных элементов на сегодняшний день — их относительно высокая стоимость, но этот недостаток может быть вскоре преодолен: все больше компаний выпускают коммерческие образцы топливных элементов, они непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается. Основной вклад в стоимость топливного элемента вносят дорогостоящие катализатор и электролит.
Современный топливный элемент состоит из тонкой (от 50 до 250 мкм) пленки «Нафион», покрытой с двух сторон катализатором (анодным и катодным), к каталитическим слоям прижаты токосъемники из газопроницаемого пористого материала, хорошо проводящего электричество. 2
На сегодняшний день стоимость электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, выше стоимости электроэнергии от обычных источников питания, работающих на ископаемых источниках энергии. Конечно, она непрерывно уменьшается, и в ближайшие лет десять ожидается снижение стоимости кислород-водородного топливного элемента. Стоит также отметить, что стоимость эксплуатации зависит от дороговизны водорода, тем более что топливный элемент согласен потреблять только очень чистый водород — примеси, особенно угарный газ, отравляют платиновый катализатор.
Таким образом, несмотря на заметный прогресс в области топливных элементов со времени экспедиции на Луну, их энергия остается все еще слишком дорогой для широкого применения — если дело касается энергоснабжения жилья, предприятий и средств транспорта. Чтобы водородный топливный элемент стал конкурентом тепловых и атомных электростанций, его энергия должна подешеветь не менее чем в восемь раз, причем должен подешеветь как сам элемент, так и водород за счет усовершенствования технологий его выработки.
Заключение

Перспективное направление применения топливных элементов — использование их совместно с возобновляемыми источниками энергии, например, фотоэлектрическими панелями или ветроэнергетическими установками. Такая технология позволяет полностью избежать загрязнения атмосферы.
В настоящее время в качестве одного из источников энергии чаще всего используются солнечные батареи. Разработаны проекты использования фотоэлектрических панелей для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза. Затем водород используется в топливных элементах для получения электрической энергии и горячей воды. Это позволяет поддерживать работоспособность всех систем при облачных днях и в ночное время.
За последние годы достигнуты существенные успехи в области топливной энергетики. Коммерциализация в этой области пока тормозится высокими капитальными затратами. Решением этой проблемы заняты высококвалифицированные научные сотрудники и инженеры во всем мире. Доля энергии, полученной с применением технологий топливной энергетики, неустанно растет.
Список использованных источников

Быстрицкий, Г. Ф. Основы энергетики / Г.Ф. Быстрицкий. - М.: ИНФРА-М, 2007. - 288 c.
Беляев, Н. М. Методы теории теплопроводности. Учебное пособие. В 2 частях. Часть 1 / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. - М.: Высшая школа, 1982. - 328 c.
Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник / Л.А. Бессонов. - М.: Юрайт, 2016. - 702 c.
Епифанов, А. П. Электромеханические преобразователи энергии / А.П. Епифанов. - М.: Лань, 2004. - 208 c.
Зайцев С. А., Толстов А. Н., Грибанов Д. Д., Меркулов Р. В. Метрология, стандартизация и сертификация в энергетике; Академия - Москва, 2009. - 224 c.
Овчаренко, Н. И. Автоматика энергосистем / Н.И. Овчаренко. - М.: МЭИ, 2009. - 480 c.
Сазанов, Б. В. Промышленные теплоэнергетические установки и систем ы. Учебное пособие / Б.В. Сазанов, В.И. Ситас. - М.: МЭИ, 2014. - 280 c.
Свидерская О. В. Основы энергосбережения; ТетраСистемс - Москва, 2009. - 176 c.
Семенов, Ю. П. Теплотехника. Учебник / Ю.П. Семенов, А.Б. Левин. - М.: ИНФРА-М, 2015. - 400 c.
Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Справочник по эксплуатации электроустановок промышленных предприятий; Высшая школа - Москва, 2002. - 248 c.
Федорищева, Е. А. Энергетика. Проблемы и перспективы / Е.А. Федорищева. - Москва: Огни, 2008. - 152 c.
Шеховцов В. П. Справочное пособие по электрооборудованию и электроснабжению; Форум - Москва, 2011. - 136 c.
Щербаков, Е. Ф. Электроснабжение и электропотребление на предприятиях. Учебное пособие / Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров. - М.: Форум, Инфра-М, 2014. - 596 c.