Топливный элемент на водороде: описание, характеристики, принцип работы, фото

Статьи

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Топливный элемент – это устройство, которое эффективно генерирует тепло и постоянный ток в результате электрохимической реакции и использует топливо, богатое водородом. В принципе он похож на аккумулятор. Конструктивно топливный элемент представлен катодом, анодом и электролитом. Насколько это замечательно? В отличие от самих батарей водородные топливные элементы не накапливают электричество, не нуждаются в электричестве для подзарядки и не разряжаются. Ячейки продолжают вырабатывать электричество до тех пор, пока в них есть воздух и топливо.

Особенности

Отличие топливных элементов от других генераторов электроэнергии состоит в том, что они не сжигают топливо во время работы. Благодаря этой особенности им не нужны роторы высокого давления, они не издают сильных шумов и вибраций. Электроэнергия в топливных элементах генерируется бесшумной электрохимической реакцией. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется непосредственно в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы очень эффективны и не выделяют большого количества парниковых газов. Продуктом выброса во время работы элемента является небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, которое не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

История появления

В 1950-х и 1960-х годах растущая потребность НАСА в источниках энергии для долгосрочных космических полетов привела к одной из самых важных задач топливных элементов, существовавших в то время. Щелочные элементы используют кислород и водород в качестве топлива, которые во время электрохимической реакции превращаются в полезные побочные продукты во время космического полета: электричество, воду и тепло.

Впервые топливные элементы были обнаружены в начале 19 века, в 1838 году. Тогда же появились первые сведения об их эффективности.

Работа над топливными элементами с использованием щелочных электролитов началась в конце 1930-х годов. Ячейки с никелированными электродами высокого давления не были изобретены до 1939 года. Во время Второй мировой войны были разработаны топливные элементы для британских подводных лодок, состоящие из щелочных элементов диаметром около 25 сантиметров.

Читайте также:  Доработка Volkswagen Bora – улучшаем двигатель, подвеску и фары немецкой модели

Интерес к ним увеличился в 1950-1980-е годы, которые характеризовались дефицитом мазута. Страны по всему миру начали бороться с загрязнением воздуха и окружающей среды, пытаясь разработать экологически безопасные способы производства электроэнергии. Технология производства топливных элементов в настоящее время находится в стадии активной разработки.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Принцип работы

Тепло и электричество вырабатываются топливными элементами в результате электрохимической реакции, в которой используются катод, анод и электролит.

Катод и анод разделены протонопроводящим электролитом. После подачи кислорода к катоду и водорода к аноду запускается химическая реакция, которая производит тепло, ток и воду.

Молекулярный водород диссоциирует на анодном катализаторе, что приводит к потере электронов. Ионы водорода попадают на катод через электролит, а электроны проходят через внешнюю электрическую сеть и создают постоянный ток, который используется для питания оборудования. Молекула кислорода на катодном катализаторе соединяется с поступающими электроном и протоном, в конечном итоге образуя воду, которая является единственным продуктом реакции.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Типы

Выбор конкретного типа топливного элемента зависит от области его применения. Все топливные элементы делятся на две основные категории: высокотемпературные и низкотемпературные. Последние используют в качестве топлива чистый водород. Такие устройства обычно требуют преобразования первичного топлива в чистый водород. Процесс осуществляется на специальном оборудовании.

Высокотемпературные топливные элементы в них не нуждаются, потому что они преобразуют топливо при высоких температурах, устраняя необходимость в водородной инфраструктуре.

Принцип действия водородных топливных элементов основан на преобразовании химической энергии в электрическую без неэффективных процессов горения и на преобразовании тепловой энергии в механическую.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Общие понятия

Водородные топливные элементы – это электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию за счет высокоэффективного «холодного» сжигания топлива. Есть несколько видов таких устройств. Наиболее перспективной считается технология водородно-воздушных топливных элементов, оснащенных протонообменной мембраной PEMFC.

Полимерная мембрана с протонной проводимостью предназначена для разделения двух электродов: катода и анода. Каждый из них представлен углеродной матрицей, на которую нанесен катализатор. Молекулярный водород диссоциирует на анодном катализаторе, отдавая электроны. Катионы проходят к катоду через мембрану, однако электроны передаются во внешнюю цепь, поскольку мембрана не предназначена для переноса электронов.

Читайте также:  Hyundai Staria: Ну очень красивый минивэн...

Молекула кислорода на катодном катализаторе соединяется с электроном из электрической цепи и поступающим протоном, в конечном итоге образуя воду, которая является единственным продуктом реакции.

Водородные топливные элементы используются для производства мембранно-электродных сборок, которые служат основными генерирующими элементами энергетической системы.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

  • Увеличение удельной теплоемкости.
  • Широкий диапазон рабочих температур.
  • Отсутствие вибрации, шума и нагрева.
  • Надежность при холодном пуске.
  • Отсутствие саморазряда, что гарантирует долгий срок хранения энергии.
  • Неограниченная автономность благодаря возможности регулирования энергопотребления за счет изменения количества топливных картриджей.
  • Обеспечение практически любой энергоемкости за счет изменения емкости хранения водорода.
  • Длительный срок.
  • Бесшумная и экологически чистая работа.
  • Высокая энергоемкость.
  • Устойчивость к посторонним примесям в водороде.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Область применения

Благодаря своей высокой эффективности водородные топливные элементы используются в различных областях:

  • Портативные зарядные устройства.
  • Системы питания для БПЛА.
  • UPS.
  • Прочие устройства и оборудование.

Перспективы водородной энергетики

Широкое распространение топливных элементов на основе перекиси водорода станет возможным только после создания эффективного способа получения водорода. Необходимы новые идеи для активного использования этой технологии, при этом большие надежды возлагаются на концепцию биотопливных элементов и нанотехнологий. Некоторые компании выпустили относительно эффективные катализаторы на основе различных металлов, одновременно с этим появилась информация о создании безмембранных топливных элементов, что позволило значительно снизить производственные затраты и упростить конструкцию таких устройств. Достоинства и характеристики водородных топливных элементов не перевешивают их главный недостаток – высокую стоимость, особенно по сравнению с углеводородными устройствами. На строительство водородной электростанции требуется не менее 500 тысяч долларов.

Водородный топливный элемент: описание, характеристики, принцип работы, фото

Как собрать топливный элемент на водороде?

Маломощный топливный элемент можно создать самостоятельно в обычной домашней или школьной лаборатории. В качестве материалов использовались старый противогаз, кусочки оргстекла, водный раствор этилового спирта и щелочи.

Читайте также:  Грузовики XXI века — КАМАЗы семейства К4

Корпус водородного топливного элемента изготавливается вручную из оргстекла толщиной не менее пяти миллиметров. Перегородки между отсеками могут быть тоньше – около 3 миллиметров. Оргстекло приклеивается специальным клеем на основе хлороформа или дихлорэтана и стружкой оргстекла. Все работы проводятся только при работающей вытяжке.

Во внешней стенке корпуса проделывается отверстие диаметром 5-6 сантиметров, в которое вставляется резиновая пробка и стеклянная сливная трубка. Активированный уголь из противогаза засыпается во второй и четвертый отсеки корпуса топливного элемента – он будет использоваться в качестве электрода.

Топливо будет циркулировать в первой камере, а пятая будет заполнена воздухом, из которого будет поступать кислород. Залитый между электродами электролит пропитывают раствором парафина и бензина, чтобы он не попал в воздушную камеру. На слой угля кладут медные пластины с припаянными к ним проводами, через которые будет отводиться ток.

В собранный водородный топливный элемент заправляют водку, разбавленную водой в соотношении 1: 1. В полученную смесь осторожно добавляют гидроксид калия: 70 граммов калия растворяют в 200 граммах воды.

Перед испытанием топливного элемента на водороде топливо заливается в первую камеру, а электролит – в третью. Показания вольтметра, подключенного к электродам, должны находиться в пределах от 0,7 до 0,9 вольт. Чтобы обеспечить непрерывную работу ячейки, необходимо слить отработавшее топливо и залить новое топливо через резиновый шланг. Нажатие на шланг регулирует скорость подачи топлива. Такие самодельные водородные топливные элементы имеют небольшую мощность.

Василий Штормин
Главный редактор , wekauto.ru
Знаю что такое авто от А до Я. Люблю интересоваться гонками, конструкцией автомобилей, ремонтом. Знакомые советовали поделиться своими знаниями в интернете. Давайте вместе окунемся в мир авто и всего, что с ним связано.
Оцените статью
WekAuto.ru
Добавить комментарий