Аккумулятор топливный: 403 — Доступ запрещён – Аккумулятор топлива-что это? | Audi Club Russia

Содержание

Топливные элементы: виды и принцип работы

Экология познания.Наука и техника: Водородная энергетика является одной из самых высокоэффективных отраслей, а топливные элементы позволяют ей оставаться на передовой инновационных технологий.

Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции.

Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Опять же, подобно батарее, топливный элементвключает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. Правильный термин для описания работающего топливного элемента – это система элементов, так как для полноценной работы требуется наличие некоторых вспомогательных систем.

В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр.,топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду.

Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули.

Принцип работы топливных элементов

Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции, используя электролит, катод и анод.

топливные элементы, топливные ячейки

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород — на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. 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).

Ниже приведена соответствующая реакция:

Реакция на аноде: 2h3 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- => 2h3O
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O


Типы топливных элементов

топливные элементы, топливные ячейки

Подобно существованию различных типов двигателей внутреннего сгорания, существуют различные типы топливных элементов – выбор подходящего типа топливной элементы зависит от его применения.Топливные элементы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные. Низкотемпературные топливные элементы требуют в качестве топлива относительно чистый водород. 

Это часто означает, что требуется обработка топлива для преобразования первичного топлива (такого как природный газ) в чистый водород. Этот процесс потребляет дополнительную энергию и требует специального оборудования. Высокотемпературные топливные элементы не нуждаются в данной дополнительной процедуре, так как они могут осуществлять «внутреннее преобразование» топлива при повышенных температурах, что означает отсутствие необходимости вкладывания денег в водородную инфраструктуру.

Топливные элементы на расплаве карбоната (РКТЭ).

топливные элементы, топливные ячейки

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом являются высокотемпературными топливными элементами. Высокая рабочая температура позволяет непосредственно использовать природный газ без топливного процессора и топливного газа с низкой теплотворной способностью топлива производственных процессов и из других источников. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг. С того времени была улучшена технология производства, рабочие показатели и надежность.

Работа РКТЭ отличается от других топливных элементов. Данные элементы используют электролит из смеси расплавленных карбонатных солей. В настоящее время применяется два типа смесей: карбонат лития и карбонат калия или карбонат лития и карбонат натрия. Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите, работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом происходит при высоких температурах (650°C). КПД варьируется в пределах 60-80%.

При нагреве до температуры 650°C, соли становятся проводником для ионов карбоната (CO32-). Данные ионы проходят от катода на анод, где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Данные электроны направляются по внешней электрической цепи обратно на катод, при этом генерируется электрический ток, а в качестве побочного продукта – тепло.

Реакция на аноде: CO32- + h3 => h3O + CO2 + 2e-
Реакция на катоде: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Общая реакция элемента: h3(g) + 1/2O2(g) + CO2(катод) => h3O(g) + CO2(анод)

Высокие рабочие температуры топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом имеют определенные преимущества. При высоких температурах, происходит внутренний риформинг природного газа, что устраняет необходимость использования топливного процессора. Помимо этого, к числу преимуществ можно отнести возможность использования стандартных материалов конструкции, таких как листовая нержавеющая сталь и никелевого катализатора на электродах. Побочное тепло может быть использовано для генерации пара высокого давления для различных промышленных и коммерческих целей.

Высокие температуры реакции в электролите также имеют свои преимущества. Применение высоких температур требует значительного времени для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. Данные характеристики позволяют использовать установки на топливных элементах с расплавленным карбонатным электролитом в условиях постоянной мощности. Высокие температуры препятствуют повреждению топливного элемента окисью углерода, «отравлению», и пр.

Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом подходят для использования в больших стационарных установках. Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью 2,8 МВт. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (ФКТЭ).

топливные элементы, топливные ячейки

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты стали первыми топливными элементами для коммерческого использования. Данный процесс был разработан в середине 1960-х гг., испытания проводились с 1970-х гг. С того времени была увеличена стабильность, рабочие показатели и снижена стоимость.

Топливные элементы на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты используют электролит на основе ортофосфорной кислоты (h4PO4) с концентрацией до 100%. Ионная проводимость ортофосфорной кислоты является низкой при низких температурах, по этой причине эти топливные элементы используются при температурах до 150–220°C.

Носителем заряда в топливных элементах данного типа является водород (H+, протон). Схожий процесс происходит в топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), в которых водород, подводимый к аноду, разделяется на протоны и электроны. Протоны проходят по электролиту и объединяются с кислородом, получаемым из воздуха, на катоде с образованием воды. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ниже представлены реакции, в результате которых генерируется электрический ток и тепло.

Реакция на аноде: 2h3 => 4H+ + 4e-
Реакция на катоде: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2h3O
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

КПД топливных элементов на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты составляет более 40% при генерации электрической энергии. При комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, общий КПД составляет около 85%. Помимо этого, учитывая рабочие температуры, побочное тепло может быть использовано для нагрева воды и генерации пара атмосферного давления.

Высокая производительность теплоэнергетических установок на топливных элементах на основе фосфорной (ортофосфорной) кислоты при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии является одним из преимуществ данного вида топливных элементов. В установках используется окись углерода с концентрацией около 1,5%, что значительно расширяет возможность выбора топлива. Помимо этого, СО2 не влияет на электролит и работу топливного элемента, данный тип элементов работает с риформированным природным топливом. Простая конструкция, низкая степень летучести электролита и повышенная стабильность также являются преимущества данного типа топливных элементов.

Промышленно выпускаются теплоэнергетические установки с выходной электрической мощностью до 400 кВт. Установки на 11 МВт прошли соответствующие испытания. Разрабатываются установки с выходной мощностью до 100 МВт.

Топливные элементы с мембраной обмена протонов (МОПТЭ)

топливные элементы, топливные ячейки

Топливные элементы с мембраной обмена протонов считаются самым лучшим типом топливных элементов для генерации питания транспортных средств, которое способно заменить бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. Эти топливные элементы были впервые использованы НАСА для программы «Джемини». Сегодня разрабатываются и демонстрируются установки на МОПТЭ мощностью от 1Вт до 2 кВт.

В качестве электролита в этих топливных элементах используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка). При пропитывании водой этот полимер пропускает протоны, но не проводит электроны.

Топливом является водород, а носителем заряда – ион водорода (протон). На аноде молекула водорода разделяется на ион водорода (протон) и электроны. Ионы водорода проходят сквозь электролит к катоду, а электроны перемещаются по внешнему кругу и производят электрическую энергию. Кислород, который берется из воздуха, подается к катоду и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. На электродах происходят следующие реакции:

Реакция на аноде: 2h3 + 4OH- => 4h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2h3O + 4e- => 4OH-
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

По сравнению с другими типами топливных элементов, топливные элементы с мембраной обмена протонов производят больше энергии при заданном объеме или весе топливного элемента. Эта особенность позволяет им быть компактными и легкими. К тому же, рабочая температура – менее 100°C, что позволяет быстро начать эксплуатацию. Эти характеристики, а также возможность быстро изменить выход энергии – лишь некоторые черты, которые делают эти топливные элементы первым кандидатом для использования в транспортных средствах.

Другим преимуществом является то, что электролитом выступает твердое, а не жидкое, вещество. Удержать газы на катоде и аноде легче с использованием твердого электролита, и поэтому такие топливные элементы более дешевы для производства. По сравнению с другими электролитами, при применении твердого электролита не возникает таких трудностей, как ориентация, возникает меньше проблем из-за появления коррозии, что ведет к большей долговечности элемента и его компонентов.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

топливные элементы, топливные ячейки

Твердооксидные топливные элементы являются топливными элементами с самой высокой рабочей температурой. Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C, что позволяет использовать различные типы топлива без специальной предварительной обработки. Для работы с такими высокими температурами используемый электролит представляет собой тонкий твердый оксид металла на керамической основе, часто сплав иттрия и циркония, который является проводником ионов кислорода (О2-). Технология использования твердооксидных топливных элементов развивается с конца 1950-х гг. и имеет две конфигурации: плоскостную и трубчатую.

Твердый электролит обеспечивает герметичный переход газа от одного электрода к другому, в то время как жидкие электролиты расположены в пористой подложке. Носителем заряда в топливных элементах данного типа является ион кислорода (О2-). На катоде происходит разделение молекул кислорода из воздуха на ион кислорода и четыре электрона. Ионы кислорода проходят по электролиту и объединяются с водородом, при этом образуется четыре свободных электрона. Электроны направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток и побочное тепло.

Реакция на аноде: 2h3 + 2O2- => 2h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 4e- => 2O2-
Общая реакция элемента: 2h3 + O2 => 2h3O

КПД производимой электрической энергии является самым высоким из всех топливных элементов – около 60%. Помимо этого, высокие рабочие температуры позволяют осуществлять комбинированное производство тепловой и электрической энергии для генерации пара высокого давления. Комбинирование высокотемпературного топливного элемента с турбиной позволяет создать гибридный топливный элемент для повышения КПД генерирования электрической энергии до 70%.

Твердооксидные топливные элементы работают при очень высоких температурах (600°C–1000°C), в результате чего требуется значительное время для достижения оптимальных рабочих условий, при этом система медленнее реагирует на изменение расхода энергии. При таких высоких рабочих температурах не требуется преобразователь для восстановления водорода из топлива, что позволяет теплоэнергетической установке работать с относительно нечистым топливом, полученным в результате газификации угля или отработанных газов и т.п. Также данный топливный элемент превосходно подходит для работы с высокой мощностью, включая промышленные и крупные центральные электростанции. Промышленно выпускаются модули с выходной электрической мощностью 100 кВт.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (ПОМТЭ)

Технология использования топливных элементов с прямым окислением метанола переживает период активного развития. Она успешно зарекомендовала себя в области питания мобильных телефонов, ноутбуков, а также для создания переносных источников электроэнергии. на что и нацелено будущее применение данных элементов.

Устройство топливных элементов с прямым окислением метанола схоже с топливных элементах с мембраной обмена протонов (МОПТЭ), т.е. в качестве электролита используется полимер, а в качестве носителя заряда – ион водорода (протон). Однако, жидкий метанол (Ch4OH) окисляется при наличии воды на аноде с выделением СО2, ионов водорода и электронов, которые направляются по внешней электрической цепи, при этом генерируется электрический ток. Ионы водорода проходят по электролиту и вступает в реакцию с кислородом из воздуха и электронами, поступающих с внешней цепи, с образованием воды на аноде.

Реакция на аноде: Ch4OH + h3O => CO2 + 6H+ + 6e-
Реакция на катоде: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3h3O
Общая реакция элемента: Ch4OH + 3/2O2 => CO2 + 2h3O

Разработка данных топливных элементов была начата в начале 1990-х гг. После создания улучшенных катализаторов и, благодаря другим недавним нововведениям, была увеличена удельная мощность и КПД до 40%.

Были проведены испытания данных элементов в температурном диапазоне 50-120°C. Благодаря низким рабочим температурам и отсутствию необходимости использования преобразователя, топливные элементы с прямым окислением метанола являются лучшим кандидатом для применения как в мобильных телефонах и других товарах широкого потребления, так и в двигателях автомобилей. Достоинством данного типа топливных элементов являются небольшие габариты, благодаря использованию жидкого топлива, и отсутствие необходимости использования преобразователя.

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

топливные элементы, топливные ячейки

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – одна из наиболее изученных технологий, используемая с середины 1960-х гг. агентством НАСА в программах «Аполлон» и «Спейс Шаттл». На борту этих космических кораблей топливные элементы производят электрическую энергию и питьевую воду. Щелочные топливные элементы – одни из самых эффективных элементов, используемых для генерации электричества, эффективность выработки электроэнергии доходит до 70%.

В щелочных топливных элементах используется электролит, то есть водный раствор гидроксида калия, содержащийся в пористой стабилизированной матрице. Концентрация гидроксида калия может меняться в зависимости от рабочей температуры топливного элемента, диапазон которой варьируется от 65°С до 220°С. Носителем заряда в ЩТЭ является гидроксильный ион (ОН-), движущийся от катода к аноду, где он вступает в реакцию с водородом, производя воду и электроны. Вода, полученная на аноде, движется обратно к катоду, снова генерируя там гидроксильные ионы. В результате этого ряда реакций, проходящих в топливном элементе, производится электричество и, как побочный продукт, тепло:

Реакция на аноде: 2h3 + 4OH- => 4h3O + 4e-
Реакция на катоде: O2 + 2h3O + 4e- => 4OH-
Общая реакция системы: 2h3 + O2 => 2h3O

Достоинством ЩТЭ является то, что эти топливные элементы — самые дешевые в производстве, поскольку катализатором, который необходим на электродах, может быть любое из веществ, более дешевых чем те, что используются в качестве катализаторов для других топливных элементов. Кроме того, ЩТЭ работают при относительно низкой температуре и являются одними из самых эффективных топливных элементов — такие характеристики могут соответственно способствовать ускорению генерации питания и высокой эффективности топлива.

Одна из характерных особенностей ЩТЭ – высокая чувствительность к CO2, который может содержаться в топливе или воздухе. CO2 вступает в реакцию с электролитом, быстро отравляет его, и сильно снижает эффективность топливного элемента. Поэтому использование ЩТЭ ограничено закрытыми пространствами, такими как космические и подводные аппараты, они должны работать на чистом водороде и кислороде. Более того, такие молекулы, как CO, h3O и Ch5, которые безопасны для других топливных элементов, а для некоторых из них даже являются топливом, вредны для ЩТЭ.

Полимерные электролитные топливные элементы (ПЭТЭ)

топливные элементы, топливные ячейки

В случае полимерных электролитных топливных элементов полимерная мембрана состоит из полимерных волокон с водными областями, в которых существует проводимость ионов воды h3O+ (протон, красный) присоединяется к молекуле воды. Молекулы воды представляют проблему из-за медленного ионного обмена. Поэтому требуется высокая концентрация воды как в топливе, так и на выпускных электродах, что ограничивает рабочую температуру 100°С.

Твердокислотные топливные элементы (ТКТЭ)

топливные элементы, топливные ячейки

В твердокислотных топливных элементах электролит (CsHSO4) не содержит воды. Рабочая температура поэтому составляет 100-300°С. Вращение окси анионов SO42-позволяет протонам (красный) перемещаться так, как показано на рисунке.

Как правило, твердокислотный топливный элемент представляет собой бутерброд, в котором очень тонкий слой твердокислотного компаунда располагается между двумя плотно сжатыми электродами, чтобы обеспечить хороший контакт. При нагреве органический компонент испаряется, выходя через поры в электродах, сохраняя способность многочисленных контактов между топливом (или кислородом на другом конце элементы), электролитом и электродами.опубликовано econet.ru

топливные элементы, топливные ячейки

Тип топливной элементы Рабочая температура Эффективность выработки электроэнергии Тип топлива Область применения
РКТЭ 550–700°C 50-70% Большинство видов углеводородного топлива Средние и большие установки
ФКТЭ 100–220°C 35-40% Чистый водород Большие установки
МОПТЭ 30-100°C 35-50% Чистый водород Малые установки
ТОТЭ 450–1000°C 45-70% Большинство видов углеводородного топлива Малые, средние и большие установки
ПОМТЭ 20-90°C 20-30% Метанол Переносные установки
ЩТЭ 50–200°C 40-65% Чистый водород Космические исследования
ПЭТЭ 30-100°C 35-50% Чистый водород Малые установки

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках

Химия и ток

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Wikimedia commons

Помимо материалов анода и катода, важной составляющей химического источника тока является электролит, внутри которого движутся ионы и на границе которого с электродами протекают все электрохимические реакции. При этом электролит не обязательно должен быть жидким — это может быть и полимерный, и керамический материал.

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки


Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

На сегодня создано много различных типов аккумуляторов, которые отличаются типом происходящей в них химической реакции. Наиболее распространенными типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные (или просто свинцовые) аккумуляторы, в основе которых лежит реакция окисления-восстановления свинца. Такие устройства обладают довольно длительным сроком службы, а их энергоемкость составляет до 60 ватт-часов на килограмм. Еще более популярными в последнее время являются литий-ионные аккумуляторы, основанные на реакции окисления-восстановления лития. Энергоемкость современных литий-ионных аккумуляторов сейчас превышает 250 ватт-часов на килограмм.

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Основными проблемами литий-ионных аккумуляторов являются их небольшая эффективность при отрицательных температурах, быстрое старение и повышенная взрывоопасность. А из-за того, что металлический литий очень активно реагирует с водой с образованием газообразного водорода и при горении аккумулятора выделяется кислород, самовозгорание литий-ионного аккумулятора очень тяжело поддается традиционным способам пожаротушения. Для того чтобы повысить безопасность такого аккумулятора и ускорить время его зарядки, ученые предлагают модифицировать материал катода, воспрепятствовав образованию дендритных литиевых структур, а в электролит добавить вещества, которые блокируют образование взрывоопасных структур, и компоненты, подавляющие возгорание на ранних стадиях.

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H+, ионы лития Li+ или ионы кислорода O2-.

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

econet.ru

Схема работающего водородного топливного элемента очень похожа на схему химического источника тока, но содержит в себе дополнительные каналы для подачи топлива и окислителя и отвода продуктов реакции и избытка поданных газов. Электродами в таком элементе являются пористые проводящие катализаторы. К аноду подается газообразное топливо (водород), а к катоду — окислитель (кислород из воздуха), и на границе каждого из электродов с электролитом проходит своя полуреакция (окисление водорода и восстановление кислорода соответственно). При этом, в зависимости от типа топливного элемента и типа электролита, само образование воды может протекать или в анодном, или в катодном пространстве.

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Если электролит является протонпроводящей полимерной или керамической мембраной, раствором кислоты или щелочи, то носителем заряда в электролите являются ионы водорода. В таком случае на аноде молекулярный водород окисляется до ионов водорода, которые проходят через электролит и там реагируют с кислородом. Если же носителем заряда является ион кислорода O2–, как в случае твердооксидного электролита, то на катоде происходит восстановление кислорода до иона, этот ион проходит через электролит и окисляет на аноде водород с образованием воды и свободных электронов.

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.


Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.


* * *

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Александр Дубов

начало большого пути / Toshiba corporate blog / Habr

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы


Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.


Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.


Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи


Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.


Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One


Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер h3One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.


Монтаж системы h3One в городе Кавасаки

Водородное будущее


Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Битва источников энергии. Кто победит — топливный элемент или аккумулятор — Нож

Представьте на секунду, что вместо power bank у вас в кармане маленький портативный топливный бак, который в результате своей деятельности выделяет в атмосферу только воду. Вы заправляете его раз в неделю, а до этого времени спокойно заряжаете свой смартфон или ноутбук, не пользуясь розетками. Думаете, это нереально? И ошибаетесь.

В середине позапрошлого века британский физик Уильям Грове изобрел гальванический элемент (устройство, преобразующее энергию химической реакции в электричество), состоящий из двух блоков: первый вырабатывал водород, а второй — потреблял его, выдавая в цепь электроэнергию.

Элемент Грове послужил прототипом для создания первых топливных элементов. Позже о них на некоторое время незаслуженно забыли из-за изобретения двигателя внутреннего сгорания и повсеместного распространения аккумуляторов.

Однако сегодня топливные элементы переживают свой новый рассвет. Их начали использовать везде: от бытовых устройств до самолетов. Всё это благодаря ряду особенностей, дающих ТЭ большие преимущества по сравнению с аккумуляторами.

Прежде чем начать наш баттл между топливным элементом и аккумулятором, нужно, чтобы они представились и рассказали о себе.

МС справа — аккумулятор. Родился в 1803 году и с тех пор постоянно совершенствовался. В конце концов, достиг таких высот, что начал использоваться в различных модификациях везде, куда ни плюнь: если сейчас отобрать у человечества все аккумуляторы, оно не сможет прожить и дня. Его можно сравнить с копилкой: вы складываете туда электроэнергию (деньги), а затем по мере необходимости достаете ее и используете. Это происходит благодаря химическим реакциям заряда и разряда, протекающим внутри и представляющим собой обратимые процессы, в ходе одного из которых электроэнергия запасается, а в ходе другого — выделяется обратно в цепь.

Настала очередь МС слева — топливного элемента. Родился он, как мы уже говорили, чуть позже, чем его противник, в 1843 году. Сперва никто не воспринимал его всерьез, но многие сулили большие перспективы. Совершенствуясь, он достиг значительных успехов и завоевал репутацию долговечного и удобного. Так что, если вам нужно выдавать небольшое количество энергии в течение длительного времени, вы можете на него положиться. Устройство топливного элемента можно сравнить с печкой: вы загружаете туда топливо и на выходе получаете энергию, образовавшуюся в результате горения. Однако процессы, происходящие в топливном элементе, намного эффективнее тех, что происходят в печи. И всё по одной простой причине: сжигая дрова напрямую, мы расходуем очень много тепла на побочные процессы, в результате чего коэффициент полезного действия (КПД) такого процесса не превышает 20 %. То есть максимум одна пятая часть от того, что мы положили в печь, может реально послужить нам.

В топливном элементе всё намного эффективнее. Реакция сгорания там протекает с минимальным выделением тепла и максимальной отдачей электроэнергии. Таким образом его КПД может достигать 85 % — нереальной цифры для большинства современных устройств.

Итак, представление участников баттла закончилось. Переходим к первому раунду. Пошумим… Нет, обойдемся без этого. Кстати, ни один из наших участников не издает сколь-нибудь заметного звука в процессе своей работы. Они оба совершенно бесшумны и не выделяют избыточную энергию в виде детонационных звуковых волн, как, например, двигатель внутреннего сгорания. Ну ладно, со звуком вроде бы всё хорошо. А что до главных характеристик любого источника энергии: ёмкости и потери заряда? Как известно, ёмкость существующих аккумуляторов ограничена их габаритами. Поэтому мы будем пользоваться понятием «плотность энергии», которое показывает, сколько электроэнергии запасается в единице объема устройства. По этому показателю аккумулятор обходит топливный элемент лишь потому, что не требует поставки топлива извне. Поэтому, если взять одинаковую массу аккумулятора и топливного элемента с водородом, то аккумулятор выиграет по времени полного разряда. Правда, такое справедливо только при небольшой массе каждого из устройств.

А что до потери заряда со временем? Вот тут пришла пора топливному элементу дать отпор: он держит заряд намного лучше и не теряет в ёмкости — в отличие от аккумулятора, который уже после двух лет эксплуатации становится на 20 % менее ёмким.

С равным счетом мы переходим ко второму раунду. Какие еще положительные черты есть у аккумулятора по сравнению с его противником? Он не требует дополнительного запаса топлива. Для него как нельзя кстати подходит выражение «всё свое ношу с собой». Топливный элемент же фактически представляет собой двигатель, который перерабатывает топливо в электричество. Однако в отличие от тепловых машин он делает это более эффективно и экологично (при работе водородного топливного элемента, например, в атмосферу выделяется только вода).

Аккумулятор достаточно компактен, а развитые сети электроэнергии позволяют зарядить его в любом месте, где есть розетка. Этого не скажешь о топливном элементе: ему для питания нужен сжатый водород или метиловый спирт (который, кстати, крайне ядовит для человека).

Это был достаточно сильный выпад в сторону топливного элемента. Однако и у него есть козыри в рукаве. Если аккумулятору для увеличения длительности работы на одном заряде требуется повышение количества блоков, то у топливного элемента вообще нет понятия «заряд»: время его эксплуатации определяется количеством топлива, имеющегося в данный момент. Как мы уже говорили, если сравнивать одинаковые массы обоих устройств, то при их небольшом значении будет выигрывать аккумулятор. Но при увеличении массы превосходство топливного элемента становится очевидным: ведь больше 90 % всей его массы составляет само устройство. Топливо же фактически ничего не весит, если мы говорим о водороде. К тому же количество потребляемого топлива у водородного или спиртового элемента не такое большое, чтобы таскать за собой целые канистры. Что ж, счет 2:2. Продолжаем.

Настало время решающего раунда. Первым начинает, как всегда, аккумулятор. Только вот ему нечего сказать в свою защиту. А между тем у аккумуляторов есть серьезный недостаток: он выделяет заметное количество тепла. Поэтому их становится очень легко отследить, если снимать местность в инфракрасном диапазоне. Этот недостаток больше характерен для разведывательной техники, где незаметность — ваше всё. Топливный элемент, напротив, выделяет настолько малое количество тепла, что за стальным корпусом какого-нибудь беспилотника просто не будет заметен.

Наш баттл подошел к концу. Мы, конечно, могли бы сказать, что победил топливный элемент, однако это не так. Каждое из рассмотренных нами устройств имеет свои наиболее подходящие области применения. И если где-то выгоднее заменить аккумулятор топливным элементом, то в других областях это будет невозможно из-за ряда причин: рентабельности, неприменимости разработки в условиях эксплуатации, или из-за необходимости дорогостоящей инфраструктуры.

Мы думаем, что будущее — за обеими разработками, и когда-нибудь вы сможете сделать свой выбор между стандартной Tesla на аккумуляторах и новой моделью на водородных топливных элементах.

Новый материал для топливных элементов позволяет создавать долгосрочные «энергетические ячейки»

Литиевые батареи — отличное решение для хранения энергии, генерируемой солнечными батареями или иными источниками «зеленого» электричества. Но они достаточно быстро разряжаются, так что это краткосрочное решение — накопить энергию «впрок» не получится. Кроме того, для хранения реально больших объемов энергии нужны очень массивные хранилища (одно такое построил Илон Маск в Австралии).

Специалисты ищут подходящее решение уже многие годы, но пока что ничего радикального создать не удалось. Правда, в последнее время становятся популярнее топливные элементы, которые вырабатывают энергию из, например, водорода. На днях стало известно о новом виде топливных ячеек, которые работают сразу в двух направлениях — они могут вырабатывать электричество из метана или водорода, или же потреблять энергию и производить метан или водород.

КПД ячейки довольно высокий: если потратить определенный объем энергии на выработку метана или водорода, а затем пустить все в обратном направлении, то получить можно 75% потраченного ранее электричества. В принципе, весьма неплохо.

Ограничения


Батареи, как уже говорилось выше, не слишком хороши для долгосрочных запасов электричества. Другие недостатки — медленная скорость подзарядки плюс дороговизна. Неплохим выходом могут служить проточные аккумуляторы, которые используются все шире.

Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Но проточные аккумуляторные не такие эффективные, как традиционные батареи, а электролит, который в них используется обычно токсичен или же вызывает коррозию (а иногда и то, и другое).

Альтернатива, позволяющая хранить энергию в течение долгого времени — превращать излишки электричества в топливо. Но здесь все не так просто, обычные схемы преобразования энергии в топливо достаточно энергозатратные, так что КПД системы никогда не будет высоким. Кроме того, катализаторы для проведения реакции обычно дорогие.

Способ сократить расходы — использовать обратимый (реверсивный) топливный элемент. В принципе, они не являются чем-то новым. При работе в прямом направлении топливные элементы берут водород или метан в качестве топлива и вырабатывают электричество. Работая в обратном направлении, они вырабатывают топливо, потребляя электричество.

Как раз реверсивные топливные элементы — идеальный вариант для долгосрочного хранения энергии, а также для получения метана или водорода там, где они нужны.

Почему же они еще не используются повсеместно? Потому, что в теории все выглядит отлично, но на практике возникают непреодолимые сложности. Во-первых, многие такие элементы нуждаются в высокой температуре для работы. Во-вторых, они производят смесь водорода и воды, а не чистый водород (в большинстве случаев). В-третьих, КПД цикла ну очень невелик. В-четвертых, катализатор в большинстве существующих элементов быстро разрушается.

Выход из положения


Его предложили исследователи из Колорадской горной школы. Они изучили возможности обратимых протонно-керамических электрохимических элементов. При выработке энергии они весьма эффективны, плюс они не нуждаются в очень уж высокой температуре — достаточно источников отработанного тепла от промышленных процессов или традиционного производства электроэнергии.

Ученые усовершенствовали технологию, предложив в качестве материала для электродов Ba/Ce/Zr/Y/Yb и Ba/Co/Zr/Y. Для их работы нужна температура в 500 градусов Цельсия, что не проблема, плюс в производство вовлекается около 97% энергии, которая была подведена к системе. При этом ячейки работают на воде или воде и углекислом газе. Вырабатывают они водород, в первом случае, или метан, во втором.

КПД системы составляет около 75%. Не так хорошо, как у батарей, но для большинства целей и этого вполне достаточно. При этом электроды не разрушаются. После 1200 часов испытаний оказалось, что материал практически не деградировал.

Правда, остается еще одна проблема — дороговизна исходных материалов, которые используются для создания электродов. Тот же иттербий стоит примерно $14 000 за килограмм, так что создание действительно значительных по размеру топливных элементов может оказаться весьма дорогим удовольствием.

Но, возможно, разработчики смогут решить и эту проблему — во всяком случае, работа в этом направлении уже ведется.


Разница между Топливным элементом и Батареей

Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо.

Кроме того, Топливный элемент может производить электрическую энергию в течение более длительного периода времени по сравнению с обычной Батареей.

По принципу работы Топливные элементы и Батареи относятся к категории электрохимии. Это устройства, которые могут производить электрическую энергию с помощью химических реакций. Следовательно, процесс производства энергии, который происходит внутри обоих этих устройств, по своей природе схож.

Содержание
  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое Топливный элемент
  3. Что такое Батарея
  4. В чем разница между Топливным элементом и Батареей
  5. Заключение
Что такое Топливный элемент?

Топливный элемент — это устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он напоминает батарею, но может обеспечивать электрической энергией в течение длительного периода времени по сравнению с обычной батареей. Реакции, происходящие внутри этого элемента, с помощью которых топливный элемент производит электрическую энергию — являются электрохимическими реакциями. Для протекания вырабатывающих электроэнергию реакций, требуется поддержание достаточного количества топлива и воздуха в камере топливного элемента. Топливо и воздух подаётся в камеру извне. Таким образом, это является основной причиной большого срока использования топливных элементов для выработки энергии.

Метанольный топливный элементМетанольный топливный элемент

Топливные элементы нашли применение в космических зондах, спутниках, космических кораблях. Кроме того, топливные элементы устанавливаются в различных местах, таких как электростанции, больницы, школы, отели и т.д.

Что такое Батарея?

Батарея — это устройство, содержащее два или более электрохимических элемента, которые могут напрямую преобразовывать химическую энергию в электрическую. Батареи имеют внешние клеммы для подключения к электрическим устройствам, таким как фонари, мобильные телефоны и д.р., Положительный вывод батареи является катодом, а отрицательный вывод — анодом. Электроны движутся от отрицательной клеммы к положительной клемме через внешнюю цепь.

Батарейки, аккумуляторыБатарейки

Когда подключают аккумулятор к внешней электрической нагрузке, происходит окислительно-восстановительная реакция. Эта реакция может преобразовывать высокоэнергетические реагенты в низко энергетические продукты. Здесь разница между значениями энергии передается во внешнюю цепь в виде электрической энергии. По типу батареи подразделяются на первичные и вторичные. Первичные батареи — это гальванические элементы, являются не перезаряжаемыми, так как химические процессы, проходящие в них необратимые, тогда как вторичные батареи — это аккумуляторы и они являются перезаряжаемыми.

Каковы сходства между Топливным элементом и Батареей?
  • Оба эти устройства могут производить электрическую энергию с использованием химической энергии.
  • Процесс, который происходит внутри обоих этих устройств, похож.
В чем разница между Топливным элементом и Батареей?

Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо. Топливный элемент может подавать электрическую энергию в течение длительного периода времени по сравнению с обычной Батареей. Кроме того, Топливный элемент непрерывно снабжается топливом и кислородом от внешнего источника, что даёт ему возможность работать в течение длительного периода времени, однако Батарея содержит ограниченное количество топлива и окислителя, и эти два компонента со временем уменьшаются, поэтому данное устройство не может давать электрическую энергию в течение длительного периода времени.

Заключение — Топливный элемент против Аккумулятором

И Топливный элемент, и Батарея похожи друг на друга процессами, происходящими внутри этих устройств. Кроме того, оба они могут производить электрическую энергию, используя химическую энергию реакции. Однако между Топливным элементом и Аккумулятором есть четкая разница. Основное различие между Топливным элементом и Батареей заключается в том, что Батареи имеют цикл зарядки и разрядки, в то время как Топливные элементы непрерывно вырабатывают электричество, пока к ним подают топливо.

Топливный аккумулятор высокого давления или рампа системы Common Rail

Топливный аккумулятор высокого давления (Rail) или топливная рампа LWR2-16, BOSCH 0 445 214 285 с датчиком давления топлива системы Common Rail двигателя ЗМЗ-51432 CRS, служит для аккумулирования топлива и распределения его по электромагнитным топливным форсункам.

Топливо в ней содержится под высоким давлением, одновременно топливный аккумулятор (топливная рампа) смягчает колебания давления, которые возникают из-за пульсирующей подачи со стороны топливного насоса высокого давления CP1H BOSCH 0 445 010 330, а также из-за работы электромагнитных форсунок во время впрыскивания. Этим обеспечивается постоянство давления впрыскивания при открытии форсунки. 

Топливный аккумулятор высокого давления (Rail) ЗМЗ-51432 CRS.

Топливный аккумулятор высокого давления LWR2-16, BOSCH 0 445 214 285, он же топливная рампа, в общем виде имеет форму трубки на который установлен датчик давления топлива.

Топливный аккумулятор высокого давления или рампа системы Common Rail двигателя ЗМЗ-51432 CRSТопливный аккумулятор высокого давления или рампа системы Common Rail двигателя ЗМЗ-51432 CRS

Принцип действия топливного аккумулятора высокого давления (Rail) ЗМЗ-51432 CRS.

Топливо из топливного насоса высокого давления BOSCH CP1H направляется через топливопровод высокого давления к впускному штуцеру топливного аккумулятора высокого давления LWR2-16, BOSCH 0 445 214 285. Из аккумулятора оно распределяется по выпускным штуцерам к отдельным электромагнитным топливным форсункам.

Давление внутри топливного аккумулятора измеряется датчиком давления топлива и ограничивается клапаном регулирования давления до максимально допустимой величины в зависимости от параметров системы впрыска и под давлением поступает к электромагнитным топливным форсункам. Объем топливного аккумулятора постоянно наполнен топливом, находящимся под давлением.

Величина этого давления поддерживается на постоянном уровне даже при больших нагрузках на двигатель, когда возрастает расход топлива через форсунки. Топливный насос высокого давления CP1H системы Common Rail двигателя ЗМЗ-51432 CRS создает постоянное давление величиной до 1450 бар для топливного аккумулятора высокого давления

Клапан регулирования давления системы питания топливом ЗМЗ-51432 CRS.

Клапан регулирования давления устанавливает требуемую величину давления в топливном аккумуляторе высокого давления (Rail), в зависимости от нагрузки на двигатель. При достижении заданного давления в аккумуляторе (топливной рампе) клапан открывается и часть топлива отводится через магистраль обратного слива назад в топливный бак.

Похожие статьи:

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о