Войтеховича Максима 3 курс 3 группа ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Войтеховича Максима 3 курс 3 группа ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ — ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, ПОДОБНОЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОМУ ЭЛЕМЕНТУ, НО ОТЛИЧАЮЩЕЕСЯ ОТ НЕГО ТЕМ, ЧТО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ПОДАЮТСЯ В НЕГО ИЗВНЕ — В ОТЛИЧИЕ ОТ ОГРАНИЧЕННОГО КОЛИЧЕСТВА ЭНЕРГИИ, ЗАПАСЕННОГО В ГАЛЬВАНИЧЕСКОМ ЭЛЕМЕНТЕ ИЛИ АККУМУЛЯТОРЕ.

Топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внешней мембране. Однако, копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах лишено смысла, т. к. на долю электрической разности потенциалов приходятся ничтожная доля химической энергии исходных веществ: почти вся энергия передаётся молекулам АТФ.

УСТРОЙСТВО ТЭ Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергетики в электрическую (~80 %). КПД, определённый по теплоте химической реакции, может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды

ПРИНЦИП РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы и аккумуляторы содержат расходуемые твердые или жидкие реагенты, масса которых ограничена объёмом батарей, и когда электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, по крайней мере, в них нужно поменять израсходованные электроды и загрязнённый электролит. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

ПРИМЕР ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом» ) содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесенным катализатором — платиной, или сплавом платиноидов и др. композиции. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости). Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30 -40 %.

МЕМБРАНА Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др. ) или керамической (оксидной и др. ). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны.

ТИПЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Ø Ø Ø Ø Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) (англ. Solid-oxide fuel cells — SOFC); Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТЭПМ) (англ. Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC); Обратимый топливный элемент (ОТЭ) (англ. Reversible Fuel Cell); Прямой метанольный топливный элемент (ПМТЭ) (англ. Directmethanol fuel cell — DMFC); Расплавной карбонатный топливный элемент (РКТЭ) (англ. Moltencarbonate fuel cells — MCFC); Фосфорнокислый топливный элемент (ФКТЭ) (англ. Phosphoric-acid fuel cells — PAFC); Щелочной топливный элемент (ЩТЭ) (англ. Alkaline fuel cells — AFC).

ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Твердооксидные (твердоо кисные) то пливные элеме нты (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) — разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (напр. , на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700 °C — 1000 °C) и применяется в основном для стационарных установок мощностью от 1 к. Вт и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить КПД (коэффициент полезного действия) установки. КПД такой гибридной установки может достигать 70 %. Схема работы твердооксидного топливного элемента.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Крупные стационарные установки мощностью 1 МВт и выше. Бытовые стационарные установки мощностью 100 Вт — 10 к. Вт. Установки для бортового электропитания транспорта (например, автомобильные рефрижераторы) мощностью 5 к. Вт. Силовые установки водного транспорта.

ПРЯМОЙ МЕТАНОЛЬНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Прямой метаноловый топливный элемент — (англ. Direct-methanol fuel cells, DMFC), это разновидность топливного элемента с протонообменной мембраной, в котором топливо, метанол, предварительно не разлагается с выделением водорода, а напрямую используется в топливном элементе.

ДОСТОИНСТВА Поскольку метанол поступает в топливный элемент напрямую, каталитический риформинг (разложение метанола) не нужен; хранить метанол гораздо проще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол при атмосферном давлении является жидкостью. Энергетическая ёмкость (количество энергии в данном объеме) у метанола выше, чем в таком же объеме сильно сжатого водорода. Например, современные баллоны высокого давления, позволяющие хранить водород при 800 атм. , содержат 5 -7 весовых % водорода по отношению к общей массе баллона. При подсчете такого "водородного" эквивалента для метанола получается 13%. Такая энергоёмкость является максимальной из всех известных систем хранения топлива для топливных элементов.

НЕДОСТАТКИ Метанол ядовит, поэтому использование DMFC приложений в бытовой технике может быть опасным. Существенные ограничения на широкое применение топливных элементов накладывает использование в качестве катализаторов драгоценных металлов (платиноидов), что ведет к дороговизне как собственно установок, так, и получаемого электричества.

ПРИМЕНЕНИЕ В настоящее время ведутся работы по адаптации DMFC топливных элементов для применения в: транспортных приложениях, например для бортового питания мобильных приложениях (сотовые телефоны, ноутбуки)

ФОСФОРНОКИСЛЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ • • Основная проблема при работе топливных элементов с полимерной мембраной — быстрое испарение воды при температурах выше 80 °C. Важно было создать топливный элемент, работающий при температурах 80. . 200 °C (идеальная рабочая температура для автомобильного применения — около 120 °C). Выбор альтернативного переносчика протонов пал на кислоты — естественные источники протонов. Ортофосфорная кислота, обладающая очень малым давлением насыщенных паров и относительно малой способностью к растворению (так как она является средней кислотой), оказалась удачным выбором. Одновременно возникли следующие проблемы: Удержание кислоты Испарение кислоты

В 60 х годах XX века для удержания кислот и предотвращения их испарения было предложено применять кремниевые либо асбестовые матрицы. Эта технология себя не оправдала, так как матрицы удерживали небольшое количество кислоты (на единицу массы матрицы) и удержание было исключительно физическое (то есть кислота удерживалась в матрице подобно воде в поролоновой губке). Кислота вытекала, необходимо было использовать специальные поддоны с кислотами. Применение такого топливного элемента было бы затруднительным и неэкологичным.

Новый виток развития фосфорнокислые топливные элементы получили при использовании в качестве матриц ПБИ ( поли[2, 20(m-фенил)-5, 50 -бибензимидазол]). Pemeas (теперь принадлежащая химическому концерну BASF) была первой компанией, начавшей продавать коммерческие образцы топливных элементов с временем работы около 30000 часов при сохранении рабочих характеристик. После приобретения BASF компании Pemeas продажа коммерческих образцов прекращена, что говорит о других интересах компании. Преимущество ПБИ состоит в том, что на одно звено ПБИ может приходиться до 10 молекул кислоты. Оптимальным уровнем допирования (т. е. количества молекул кислоты на одно звено ПБИ) является повидимому, уровень в 5 -7 молекул ПБИ. В настоящее время ПБИ матрицы (и их аналоги) окончательно вытеснили все остальные типы полимерных матриц для фосфорнокислотных топливных элементов.

ЩЕЛОЧНОЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Щелочной топливный элемент — (англ. alkaline fuel cell, AFC), наиболее изученная технология топливных элементов, эти элементы летали с человеком на Луну. НАСА использует щелочные топливные элементы с середины 60 -х годов, в серии аппаратов Аполлон и Спейс Шаттл. Щелочные топливные элементы потребляют водород и чистый кислород, и производят воду, тепло, и электричество. Они являются самыми эффективными из топливных элементов, коэффициент полезного действия их доходит до 70 %. Схема щелочного топливного элемента. 1: Водород 2: Поток электронов 3: Нагрузка 4: Кислород 5: Катод 6: Электролит 7: Анод 8: Вода 9: Гидроксид-ионы

ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В СССР И РОССИИ В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году. Первые исследования начались в 60 -х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов. Во время работ над программой «Буран» , исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 к. Вт топливные элементы. В 70 -80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году. В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 к. Вт.

В 1999 году Авто. ВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил кандидат технических наук Мирзоев Г. К.

10 ноября 2003 года было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению 4 мая 2005 году Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твердым полимерным электролитом мощностью 1 к. Вт. По сообщению Информационного агентства «МФД-Инфо. Центр» , ГМК «Норильский никель» ликвидирует компанию «Новые энергетические проекты» в рамках объявленного в начале 2009 года решения избавляться от непрофильных и убыточных активов. Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведется, появятся, видимо, в 2010— 2015 годах.

ПРИМЕНЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Стационарные приложения: производство электрической энергии (на электрических станциях) аварийные источники энергии автономное электроснабжение

ТРАНСПОРТ электромобили, автотранспорт морской транспорт железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т. д. )

БОРТОВОЕ ПИТАНИЕ авиация, космос подводные лодки, морской транспорт

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА портативная электроника питание сотовых телефонов зарядные устройства для армии роботы

ПРЕИМУЩЕСТВА ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Высокий КПД У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами). Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 53 %, чаще же составляет порядка 35 -38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60 -80 %, КПД почти не зависит от коэффициента загрузки,

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды.

КОМПАКТНЫЕ РАЗМЕРЫ Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

ПРОБЛЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр. ), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

Проблема отравления катализатора и долговечности мембраны решается созданием элемента с механизмами самовосстановления — регенерация ферментов-катализаторов. Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи). Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Из простых химических элементов водород и углерод являются крайностями. У водорода самая большая удельная теплота сгорания, но очень низкая плотность и высокая химическая активность. У углерода самая высокая удельная теплота сгорания среди твердых элементов, достаточно высокая плотность, но низкая химическая активность из-за энергии активации. Золотая середина — углевод (сахар) или его производные (этанол) или углеводороды (жидкие и твердые). Выделяемый углекислый газ должен участвовать в общем цикле дыхания планеты, не превышая предельно допустимых концентраций.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя цена электроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0, 09 за к. Вт·ч, тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0, 04—$0, 07 (см. Ветроэнергетика или AWEA). В Японии киловатт-час электроэнергии стоит около $0, 2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённой фотоэлектрическими элементами. То есть с ростом цен на энергоносители производство водорода электролизом воды становится более конкурентоспособным.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1 % СО. К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — невозобновляемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15 -20 лет производства элементов.

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дешевы, не отравляются основными примесями в дешевом топливе. Обладают специфическими преимуществами. Нечувствительность ферментов к CO и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.