Паливний елемент на водні: опис, характеристики, принцип роботи, фото

Опубликованно 29.07.2018 18:38

Паливний елемент - пристрій, ефективно виробляє тепло і постійний струм в результаті електрохімічної реакції і використовує багату воднем паливо. За принципом роботи він схожий з батареєю. Конструктивно паливний елемент представлений катодом, анодом і електролітом. Чим він примітний? На відміну від тих же батарей, паливні елементи на водні не накопичують електричну енергію, не потребують електриці для повторної зарядки і не розряджаються. Вироблення електроенергії осередками продовжується до тих пір, поки у них є запас повітря і палива. Особливості

Відмінністю паливних комірок від інших генераторів електроенергії є те, що за час роботи вони не спалюють паливо. Зважаючи на таку особливість вони не потребують роторах високого тиску, не видають гучного шуму і вібрацій. Електрика в паливних елементах виробляється в результаті безшумної електрохімічної реакції. Хімічна енергія палива в таких пристроях перетворюється безпосередньо у воду, тепло та електрику.

Паливні елементи відрізняються високою ефективністю і не виробляють великої кількості парникових газів. Продуктом викиду при роботі осередків є невелика кількість води у вигляді пари і вуглекислого газу, який не виділяється в разі, якщо в якості палива виступає чистий водень.

Історія появи

У 1950-1960-х роках виникла потреба NASA в джерелах енергії для тривалих космічних місій спровокувала одну з найбільш відповідальних завдань для існуючих на той момент паливних елементів. Лужні елементи використовують в якості палива кисень і водень, які в ході електрохімічної реакції перетворюються на побічні продукти, корисні під час космічного польоту - електрику, воду і тепло.

Паливні елементи вперше були відкриті на початку XIX століття - в 1838 році. В цей же час з'явилися перші відомості про їх ефективність.

Робота над паливними елементами, які використовують лужні електроліти, почалася в кінці 1930-х років. Клітинки з нікельованими електродами під високим тиском були винайдені тільки до 1939 року. Під час Другої Світової війни для британських підводних човнів розроблялися паливні елементи, що складаються з лужних осередків діаметром близько 25 сантиметрів.

Інтерес до них зріс у 1950-80-х роках, що характеризуються браком нафтового палива. Країни світу почали займатися питаннями забруднення повітря і навколишнього середовища, прагнучи розробити екологічно безпечні способи отримання електроенергії. Технологія виробництва паливних комірок на сьогоднішній день переживає активний розвиток.

Принцип роботи

Тепло і електроенергія виробляються паливними комірками в результаті електрохімічної реакції, що проходить з використанням катода, анода і електроліту.

Катод і анод розділені проводять протони електролітом. Після надходження кисню на катод і водню на анод запускається хімічна реакція, результатом якої стають тепло, струм і вода.

Молекулярний водень дисоціює на каталізаторі анода, що призводить до втрати ним електронів. Іони водню надходять до катода через електроліт, одночасно електрони проходять за зовнішньої електричної мережі і створюють постійний струм, який використовується для живлення устаткування. Молекула кисню на каталізаторі катода об'єднується з електроном і надійшли протоном, утворюючи в результаті воду, яка є єдиним продуктом реакції.

Типи

Вибір конкретного виду паливної комірки залежить від області її застосування. Всі паливні елементи поділяються на дві основні категорії - високотемпературні і низькотемпературні. Другі в якості палива використовують чистий водень. Подібні пристрої, як правило, вимагають переробки первинного палива в чистий водень. Процес здійснюється з використанням спеціального обладнання.

Високотемпературні паливні елементи не потребують подібному, оскільки вони перетворюють паливо при підвищених температурах, що виключає необхідність створення водневої інфраструктури.

Принцип роботи паливних елементів на водні заснований на перетворенні хімічної енергії в електричну без малоефективних процесів горіння і перетворення теплової енергії в механічну.

Загальні поняття

Водневі паливні елементи являють собою електрохімічні пристрої, що виробляють електроенергію в результаті високоефективного "холодного" горіння палива. Розрізняють декілька типів подібних приладів. Найбільш перспективною технологією вважаються водень-повітряні паливні елементи, оснащені протонообменной мембранної PEMFC.

Протонпроводящая полімерна мембрана призначена для поділу двох електродів - катода і анода. Кожен з них представлений вугільної матрицею з нанесеним на неї каталізатором. Молекулярний водень дисоціює на каталізаторі анода, віддаючи електрони. Катіони проводяться до катода через мембрану, однак електрони передаються в зовнішній ланцюг, оскільки мембрана не призначена для передачі електронів.

Молекула кисню на каталізаторі катода об'єднується з електроном з електричної ланцюга і надійшли протоном, утворюючи в результаті воду, яка є єдиним продуктом реакції.

Паливні елементи на водні використовуються для виготовлення мембранно-електродних блоків, які виступають в якості основних генеруючих елементів енергетичної системи.

Переваги водневих паливних осередків

Серед них слід виділити: Підвищена питома теплоємність. Широкий температурний діапазон експлуатації. Відсутність вібрації, шуму та теплової плями. Надійність при холодному запуску. Відсутність саморозряду, що забезпечує тривалий термін зберігання енергії. Необмежена автономність завдяки можливості коригування енергоємності за рахунок зміни числа паливних балончиків. Забезпечення практично будь енергоємності завдяки зміні ємності сховища водню. Тривалий термін експлуатації. Безшумність і екологічність роботи. Високий рівень енергоємності. Толерантність до сторонніх домішок у водні.

Область застосування

Завдяки високому ККД паливні елементи на водні застосовуються в різних областях: Портативні зарядні пристрої. Енергопостачальні системи для БПЛА. Джерела безперебійного живлення. Інші пристрої і обладнання. Перспективи водневої енергетики

Повсюдне використання паливних елементів на перекису водню буде можливо тільки після створення ефективного способу отримання водню. Для запровадження технології в активне використання потрібні нові ідеї, при цьому великі надії покладаються на концепцію біопаливних елементів і нанотехнології. Деякі компанії порівняно недавно випустили ефективні каталізатори на основі різних металів, одночасно з чим з'явилися відомості про створення паливних комірок без мембран, що дозволило значно здешевити виробництво і спростити конструкцію подібних пристроїв. Переваги і характеристики паливних елементів на водні не переважують їх основного недоліку - високої вартості, особливо в порівнянні з вуглеводневими пристроями. На створення однієї водневої енергоустановки потрібно мінімум 500 тисяч доларів.

Як зібрати паливний елемент на водні?

Паливну клітинку невеликої потужності можна створити самостійно в умовах звичайної домашньої або шкільної лабораторії. В якості матеріалів використовується старий протигаз, шматки оргскла, водний розчин етилового спирту і луг.

Корпус паливного елемента на водні своїми руками створюється з оргскла товщиною не менше п'яти міліметрів. Перегородки між відсіками можуть бути меншої товщини - близько 3 міліметрів. Оргскло склеюється спеціальним клеєм, що виготовляється з хлороформу або дихлоретану і стружки з оргскла. Всі роботи проводяться тільки при працюючій витяжці.

У зовнішній стінці корпусу просвердлюється отвір діаметром 5-6 сантиметрів, в яке вставляється гумова пробка і зливна скляна трубка. Активоване вугілля з протигаза засипається в друге і четверте відділення корпусу паливного елемента - він буде використовуватися в якості електрода.

Циркуляція палива буде здійснюватися в першій камері, в той час як п'ята заповнюється повітрям, з якого буде поставлятися кисень. Електроліт, засыпающийся між електродами, просочується розчином парафіну і бензину, щоб уникнути його потрапляння в повітряну камеру. На шар вугілля кладуть мідні пластини з припаяними до них проводами, через які буде відводитися струм.

Зібраний паливний елемент на водні заряджається горілкою, розведеною водою у співвідношенні 1:1. В отриману суміш акуратно додається їдкий калій: в 200 грамах води розчиняється 70 грамів калію.

Перед випробуванням паливного елемента на водні в першу камеру заливається паливо, в третю - електроліт. Показання вольтметра, підключеного до електродів, повинні змінюватись від 0,7 до 0,9 вольт. Для забезпечення безперервної роботи елемента відпрацьоване паливо повинно відводитися, а через гумову трубку - заливатися нове. Стисканням трубки регулюється швидкість подачі палива. Подібні паливні елементи на водні, зібрані в домашніх умовах, володіють невеликою потужністю. Автор: Михайло Світанковий 24 Липня, 2018

Категория: Автотехника