Елементи палива: види і принцип роботи

Паливна клітка - це пристрій, що ефективно генерує прямий струм і тепло від палива водню-багата через електрохімічну реакцію.

Паливна клітина схожа на акумулятор, в якому генерує прямий струм через хімічну реакцію. Знову, як акумулятор, паливна комірка включає анод, катод і електроліт. Однак, на відміну від акумуляторів, паливні елементи не можуть зберігати електричну енергію, не розряджають і не вимагають електроенергії перезаряджати. Паливні клітини можуть безперервно генерувати електроенергію, оскільки вони мають подачу палива і повітря. Правильний термін опису робочих паливних елементів є системою елементів, так як необхідні допоміжні системи.

На відміну від інших електрогенераторів, таких як двигуни внутрішнього згоряння або турбіни, які працюють на газі, вугільній, паливній олії тощо, паливні елементи не спалюють паливо. Це означає відсутність шумних роторів високого тиску, гучного шуму витяжки, коливань. Паливні клітини генерують електрику через безшумну електрохімічну реакцію. Ще одна особливість паливних елементів полягає в тому, що вони перетворюють хімічну енергію палива безпосередньо в електрику, тепло і воду.

Паливні клітини високоефективні і не виробляють великої кількості парникових газів, таких як вуглекислий газ, метан та азотний оксид. Єдиний продукт емісії паливних клітин є водою у вигляді пари і невеликої кількості вуглекислого газу, яка не випускається у всіх випадках, якщо чистий водень використовується як паливо. Пальові клітини зібрані в збірках, а потім в окремих функціональних модулях.



Принцип роботи паливних елементівПаливні клітини виробляють електрику та тепло через електрохімічну реакцію, що відбувається за допомогою електроліту, катоду та аноду.

857268

Анод і катод відокремлюються електролітом, що веде протони. Після того як водень надходить в анод і кисень надходить до катоду, починається хімічна реакція, яка генерує електричний струм, тепло і воду. На анодному каталізаторі молекулярні дезоцити водню і втратить електрони. Гідрогенні іони (протони) проходять через електроліт до катоду, при цьому електрони проходять електроліт і проходять через зовнішній електричний контур, створюючи прямий струм, який можна використовувати для електрообладнання. На каталізаторі кисневої молекули поєднує в собі електрон (який подається з зовнішніх комунікацій) і вхідний протон, і утворює воду, яка є єдиною реакцією (у вигляді пари і / або рідини).

Реакція:

Відмова від аноду: 2H2 => 4H+ + 4e-
Cathode реакцію: O2 + 4H + 4e- => 2Х2О
Загальна реакція елемента: 2H2 + O2 => 2Х2О

Типи паливних елементів





Подібно до існування різних типів двигунів внутрішнього згоряння, існують різні види паливних клітин – вибір відповідного типу паливної клітини залежить від його застосування. Паливні клітини діляться на високу і низьку температуру. Низькотемпературні паливні клітини вимагають порівняно чистого водню як паливо.

Це часто означає, що обробка палива необхідна для перетворення первинних палива (наприклад, природного газу) в чистий водень. Цей процес споживає додаткову енергію і вимагає спеціального обладнання. Високотемпературні паливні елементи не потребують такої додаткової процедури, оскільки вони можуть «внутрішнє перетворення» палива при підвищених температурах, що означає, що не потрібно вкладати в водню інфраструктуру.



Елементи палива в розплаві карбонату (RCTE).

, Україна



Паливні клітини з плавленим вуглецевим електролітом є високотемпературними паливними клітинами. Висока робоча температура дозволяє безпосередньо використовувати природний газ без паливного процесора та паливного газу з низькою токсичною вартістю процесів виробництва палива та з інших джерел. Цей процес був розроблений в середині-1960-х років. З того часу було вдосконалено технологію виробництва, продуктивність та надійність.

Робота ЖКТЕ відрізняється від інших паливних елементів. Ці елементи використовують електроліт з суміші розплавлених вуглецевих солей. В даний час використовуються два види сумішей: карбонат літію і карбонат калію або карбонат літію і карбонат натрію. Для розплавлення вуглецевих солей і досягнення високого ступеня рухливості іонів в електроліті відбувається операція паливних клітин з розплавленим вуглецевим електролітом при високих температурах (650°C). Ефективність варіюється від 60-80%.

При нагріванні до температури 650°C солі стають провідником для іонів карбонату (CO32-). Ці іони проходять з катоду до аноду, де водень поєднується з формою води, вуглекислого газу і вільними електронами. Ці електрони поправляють по зовнішньому електричному контуру назад до катоду, генеруючи електричний струм і тепло як побічний продукт.

Анодна реакція: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Cathode реакцію: CO2 + 1/2O2 + 2e- => К32-
Загальна реакція елемента: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cathode) => H2O(g) + CO2(anode)

Висока експлуатаційна температура паливних елементів з розплавленим вуглецевим електролітом має певні переваги. При високих температурах природний газ є внутрішньо реформованим, усунення потреби в паливному процесорі. Крім того, переваги включають можливість використання стандартних будівельних матеріалів, таких як лист нержавіюча сталь і нікельний каталізатор на електродах. Побічні тепла можуть використовуватися для створення високопресорної пари для різних промислових і комерційних цілей.

Висока швидкість реакції в електроліті також має свої переваги. Застосування високих температур вимагає значного часу для досягнення оптимальних умов експлуатації, а система повільніше реагувати на зміни споживання енергії. Ці характеристики дозволяють використовувати паливні установки з розплавленим вуглецевим електролітом в умовах постійної потужності. Висока температура запобігає пошкодженню паливної клітини вуглецевим оксидом, "піоізоляція", і т.д.

Для використання в великих стаціонарних установках підходять паливні клітини з розплавленим вуглецевим електролітом. Виготовлені теплові електростанції потужністю 2,8 МВт. Розроблено монтаж з вихідною потужністю до 100 МВт.



Елементи палива на основі фосфорної кислоти (FCTE).





Паливні клітини на основі фосфорної кислоти були першими паливними клітинами для комерційного використання. Цей процес був розроблений в середині 1960-х років і був в тестуванні з 1970-х років. З того часу підвищена стабільність, продуктивність та вартість.

Паливні клітини на основі фосфорної (ортофосфатної) кислоти використовують електроліт на основі ортофосфорної кислоти (H3PO4) з концентрацією до 100%. Іонна провідність ортофосфорної кислоти низька при низьких температурах, з цієї причини ці паливні клітини використовуються при температурі до 150-220 ° Р.

Зарядний перевізник в паливних клітинах даного типу є воднем (H+, протон). Аналогічний процес відбувається в паливних клітинах з протонною мембраною обміну (POPTE), в якій надходить водень до аноду діляться на протони і електрони. Протони проходять через електроліт і поєднують з киснем, отриманим з повітря при катоді, щоб сформувати воду. Електрони переводяться через зовнішній електричний контур, що генерує електричний струм. Нижче наведені реакції, які генерують струм і тепло.

Відмова від аноду: 2H2 => 4H+ + 4e-
Cathode реакцію: O2(г) + 4H + 4e- => 2Х2О
Загальна реакція елемента: 2H2 + O2 => 2Х2О

Ефективність паливних клітин на основі фосфорної (ортофосфатної) кислоти становить понад 40% при генерації електричної енергії. У комбінованому виробництві теплової і електричної енергії загальна ефективність становить близько 85%. Крім того, дана робоча температура, бічна тепла може використовуватися для теплої води і генерувати атмосферний тиск пари.

Висока продуктивність теплових електростанцій на паливних клітинах на основі фосфорної (ортофосфатної) кислоти в комбінованому виробництві теплової та електричної енергії є одним з переваг цього типу паливних елементів. В рослинах використовують вуглекислий оксид з концентрацією близько 1.5%, що значно розширює вибір палива. Крім того, CO2 не впливає на електроліт і роботу паливної клітини, цей тип елемента працює з реформуванням природного палива. Простий дизайн, низька електролітна летючість і підвищена стійкість також переваги цього виду паливної клітини.

Виготовлені теплові електростанції потужністю до 400 кВт. Установки на 11 МВт були протестовані відповідно. Розроблено монтаж з вихідною потужністю до 100 МВт.



Паливні клітини з протонною мембраною (MOPTE)





Паливні клітини з протонною оболонкою вважаються кращими типами паливних елементів для транспортних засобів, які можуть замінити бензинові та дизельні двигуни внутрішнього згоряння. Ці паливні елементи вперше використовували НАСА для програми Gemini. Сьогодні розроблені та демонструються установки на MOPTE потужністю від 1 Вт до 2 кВт.

Тверда полімерна мембрана (тонічна пластикова плівка) використовується як електроліт в цих паливних клітинах. При замочений в воді цей полімер проходить протони, але не веде електрони.

Паливне паливо – водне, і вантажоперевезення – водне іон (протон). На аноді молекули водню діляться на іон водню (протон) і електрони. Гідрогенні іони проходять через електроліт до катоду, а електрони рухаються навколо зовнішнього кола і виробляють електричну енергію. Кисень, який береться з повітря, подається до катоду і поєднує в собі електрони та іони водню, щоб сформувати воду. На електродах виникають наступні реакції:

Реакція на анод: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Cathode реакцію: O2 + 2H2O + 4e- => 4ОХ-
Загальна реакція елемента: 2H2 + O2 => 2Х2О

Порівняно з іншими видами паливних елементів, паливних елементів з протонними обмінними мембранами виробляють більше енергії на даній об'ємі або масі паливної клітини. Ця функція дозволяє їм бути компактними і легкими. Крім того, робоча температура менше 100 ° С, що дозволяє швидко розпочати роботу. Ці характеристики, а також можливість швидко змінити вихід енергії, є лише деякі з особливостей, які роблять ці паливні елементи першим кандидатом для використання в транспортних засобах.

Ще одна перевага полягає в тому, що електроліт є твердою, а не рідкою речовиною. Катод і анодні гази легше тримати за допомогою твердого електроліту, і тому такі паливні елементи дешевше, щоб виробляти. У порівнянні з іншими електролітами, при застосуванні твердого електроліту немає таких труднощів, як спрямованість, виникають менше проблем через зовнішній вигляд корозії, що призводить до більшої міцності елемента і його компонентів.



Паливні клітини твердого палива (TOTE)





Паливні клітини твердого оксиду є паливними клітинами з найбільшою експлуатаційною температурою. Діапазон робочих температур від 600° C до 1000°C, що дозволяє використовувати різні види палива без спеціальної попередньої обробки. Для роботи з такими високими температурами використовується електроліт, є тонким твердим керамічним оксидом металу, часто сплавом ітрію і цирконію, який є провідником іонів кисню (O2-). Розроблено технологію використання твердих оксидових паливних елементів з кінця 1950-х років і має дві конфігурації: плоскі і трубчасті.

Тверда електроліта забезпечує герметичне переходу газу з одного електрода на інший, при цьому рідкі електроліти розташовуються в пористій підкладці. Зарядний перевізник в паливних клітинах даного типу є іоном кисню (O2-). На катоді молекули кисню відокремлюються від повітря в кисневий іон і чотири електрони. Кисневі іони, які пролітають через електроліт і поєднуються з воднем, щоб сформувати чотири вільні електрони. Електрони керуються зовнішнім електричним контуром, генеруючи електричний струм і бічне тепло.

Реакція на анод: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Cathode реакцію: O2 + 4e- => 2О2-
Загальна реакція елемента: 2H2 + O2 => 2Х2О

Ефективність виробництва електроенергії – це найвищий рівень всіх паливних клітин – близько 60%. Крім того, високі експлуатаційні температури дозволяють поєднане виробництво тепла і електрики, щоб генерувати високотемпературну пару. Комбінація високотемпературної паливної батареї з турбіною дозволяє створювати гібридну паливну клітинку для збільшення ефективності генерації електроенергії до 70%.

Твердопаливні паливні елементи працюють при дуже високих температурах (600°C-1000°C), що призводить до значного часу для досягнення оптимальних умов експлуатації, а система повільніше реагувати на зміни споживання енергії. При таких високих експлуатаційних температурах не потрібно перетворювати водню від палива, що дозволяє теплоелектростанціям працювати з порівняно нечистим паливом, отриманим від газифікації вугільних або вихлопних газів тощо. Також, даний паливний елемент ідеально підходить для високовольтної роботи, в тому числі промислових і великих центральних електростанцій. Промислово виготовлені модулі потужністю 100 кВт.



Прямі окислення метанол паливні елементи (POMTE)

Технологія використання паливних клітин з прямим окисленням метанолу переживає період активного розвитку. Він успішно зарекомендував себе в галузі живлення мобільних телефонів, ноутбуків, а також для створення портативних джерел енергії.

Пристрій паливних клітин з прямим окисленням метанолу схожий на паливні клітини з протонною мембраною обміну (MPTE), тобто полімер використовується як електроліт, так і водню іон (протон) використовується як зарядний носій. Однак рідкий метанол (CH3OH) окислюється при наявності води на аноді з випуском СО2, водню іонів і електронів, які поправляють по зовнішньому електричному контуру, при генеруванні електричного струму. Гідрогенні іони пропускають через електроліт і реагують з киснем з повітряних і електронів, що надходять з зовнішньої мережі, щоб сформувати воду на аноді.

Анодна реакція: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + 6e-
Cathode реакцію: 3/2O2 + 6H + 6e- => 3Х2О
Загальна реакція елемента: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

На початку 1990-х рр. розпочалася розробка даних паливних елементів. Після створення поліпшених каталізаторів і, завдяки іншим нововведенню, збільшено специфічну потужність і ефективність до 40%.

Ці елементи були протестовані в діапазоні температур 50-120 ° C. За рахунок низьких експлуатаційних температур і відсутності необхідності використання перетворювача, паливних клітин з прямим окисленням метанолу є кращим кандидатом для використання в мобільних телефонів і інших споживчих товарів, а також в автомобільних двигунах. Перевагою даного типу паливних елементів є невеликі розміри, завдяки використанню рідкого палива, а відсутність необхідності використання конвертера.



Паливні клітини Alkaline (ALC)

- відео



Alkaline Паливні клітини (ALC) є одним з найбільш вивчених технологій, які використовуються з середини-1960-х рр. НАСА в Аполлоні та Space Shuttle програм. На борту цих космічних апаратів паливні елементи виробляють електричну енергію і питну воду. Паливні клітини Alkaline є одним з найбільш ефективних елементів, які використовуються для створення електроенергії, з ефективністю генерації електроенергії досягають 70%.

Алкалінові паливні клітини використовують електроліт, тобто водний розчин гідрасу калію, що міститься в пористої стабілізованої матриці. Концентрація гідрасу калію може змінюватися залежно від діючої температури паливної клітини, діапазон яких коливається від 65 ° С до 220 ° С. Зарядний перевізник SCHTE - гідроксиль іон (OH-), що переміщається з кабіни до аноду, де він реагує з воднем, виробляє воду і електрони. Вода, що виробляється на аноді, переходить до катоду, знову генерує гідроксильні іони. Ця серія реакцій в паливному елементі виробляє електроенергію і, як побічний продукт, тепло:

Реакція на анод: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Cathode реакцію: O2 + 2H2O + 4e- => 4ОХ-
Загальна відповідь системи: 2H2 + O2 => 2Х2О

Перевагою STE є те, що ці паливні елементи найдешевші для виробництва, оскільки каталізатор, який необхідний на електродах, може бути будь-який з речовин, дешевше, ніж ці, що використовуються як каталізатори для інших паливних клітин. Крім того, SHTEs працюють порівняно низькою температурою і є одними з найбільш ефективних паливних клітин – такі характеристики можуть сприяти відповідно до більш швидкого генерації електроенергії і високої ефективності палива.

Однією з характерних рис SHTE є висока чутливість до CO2, яка може міститися в паливі або повітрі. CO2 реагує з електролітом, швидко отруює її, і значно знижує ефективність паливної клітини. Таким чином, використання STE обмежено закритими просторами, такими як простір і підводні транспортні засоби, вони повинні працювати на чистому водню і киснем. Крім того, молекули, такі як CO, H2O і CH4, які безпечні для інших паливних клітин, і навіть палива для деяких, шкідливі для STE.



Полімерні електролітні паливні елементи (PETE)





У разі полімерних електролітних паливних клітин, полімерна мембрана складається з полімерних волокон з водними регіонами, в яких провідність водних іонів H2O+ (протон, червоний) прикріплює до молекули води. молекули води позбавляють проблеми через повільний іонний обмін. Тому необхідно високу концентрацію води як в паливі, так і вихлопних електродів, що обмежує робочу температуру до 100°C.



Паливні клітини твердої кислоти (FCTE)





В твердих кислотних паливних клітинах електроліт (CsHSO4) не містить води. Робоча температура тому 100-300 ° С. обертання аніону SO42 дозволяє протони (червоні) переміщатися як показано на малюнку.

Зазвичай тверда кислота паливна клітина є сендвічом, в якому дуже тонкий шар сполуки твердої кислоти поміщається між двома щільно стискаються електроди, щоб забезпечити хороший контакт. При нагріванні органічного компонента випаровується за допомогою пори в електродах, зберігаючи здатність численних контактів між паливом (або киснем в іншому кінці елементів), електролітом і електродами. опублікований







Тип палива Робоча температура Енергоефективність палива типу RKTE площа застосування 550-700°C 50-70% Більшість вуглеводневих паливів Середнього та великого монтажу PKTE 100-220°C 35-40% Чистий водень Великий MOPTE установки 30-100°C 35-50% Чисті установки для водню 450-1000°C 45-70% Більшість вуглеводневих паливів Невеликі, середні та великі установки POMTE 20-90°C 20-30% портативні установки METANOL SHTE 50-200°C 40-65% Чисті гідрогенні установки TOTE 450-1000°C 45-70% Мал-50-5100° Р Космічні установки

P.S. І пам'ятаєте, просто змінивши наше споживання – разом ми змінюємо світ!

Приєднуйтесь до нас на Facebook, VKontakte, Odnoklassniki

Джерело: www.energy-units.ru/en_units.php