Топливный элемент - принцип работы.
За последние 50-60 лет по оценкам экспертов выбросы CO2 в атмосферу возросли, в 4-5раз и составляют величину равную 20 х 1012 м3/год. В результате имеем Киотский протокол. Основная проблема заключается в том, что основные имеющиеся на планете источники энергии ограничены. По некоторым подсчетам газа и нефти и хватит не более чем на 100 лет, угля - примерно на 360-400 лет, ядерного топлива – немногим более чем на 1000лет.
Поэтому в последнее время наиболее остро стоит вопрос о переходе к новым источникам энергии, в основе которой должна быть заложена экологическая составляющая. Большие надежды возлагаются на водородную энергетику: использование водорода, как одного из основных видов энергоносителя, а топливных элементов, как генераторов электроэнергии. Такой вид энергетики предполагает резкое сокращение добычи и потребления ископаемых видов топлива.
Водородный топливный элемент (ТЭ) представляет собой электрохимическое устройство, преобразующее энергию реакции соединения водорода с кислородом напрямую в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Поэтому у топливного элемента энергетический КПД значительно выше, чем у традиционных энергоустановок и может составлять 90%.
Рис. Схема Водородного топливного элемента.
Химические реакции в топливном элементе идут на пористых электродах (аноде и катоде), активированных катализатором (обычно на основе платины или других металлов платиновой группы), по следующей схеме. Водород поступает на анод топливного элемента, где его атомы разлагаются на электроны и протоны:
H2 = 2e- + 2H+
Электроны поступают во внешнюю цепь, создавая электрический ток. Протоны, в свою очередь, проходят сквозь протонообменную мембрану на катодную сторону, где с ними соединяется кислород и электроны из внешней электрической цепи с образованием воды:
4H+ + 4e- + O2 = 2H2O
Побочными продуктами реакции, таким образом, являются тепло и водяной пар. Напряжение, возникающее при этом на единичном топливном элементе, обычно не превышает 1,1 В. Для получения необходимой величины напряжения топливные элементы соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимого тока батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором. Сердцем топливного элемента является протонообменная мембрана. Обычно протонообменная мембрана представляет собой пленку из полимера, сочетающего гидрофобную основную цепь и боковые фрагменты, содержащие кислотные группы (гидрофильная часть).
Если в мембране присутствует вода, она собирается вблизи кислотных групп и образует гидратную область с линейным размером порядка 1 нм. Именно в этой области и образуются различные гидратированные формы протона, способные свободно перемещаться. Гидрофобная же часть полимера содержит алифатические, ароматические, фторированные или нефторированные фрагменты и образует прочный каркас, обеспечивающий механическую прочность мембраны.
Наибольшее распространение в настоящее время получили перфторированные полимерные мембраны типа Nafion, разработанные компанией DuPont, которые считаются «классическими» мембранами для топливных элементов. Такие мембраны обладают высокой механической прочностью, великолепной химической стойкостью и высокой протонной проводимостью.
Топливный элемент – такая же батарея, которая преобразует химическую энергию в электрическую, но исходные вещества для реакции подаются постоянно, благодаря этому такая батарейка никогда не сядет. Так как в топливных элементах нет движущихся частей, их отличительной чертой являются - надёжность, долговечность и простота эксплуатации. Ну и нельзя обойти стороной экологическую составляющую вопроса.
Переход на водородную энергетику подразумевает крупномасштабное производство водорода, транспортировку, хранение и его использование для получения энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение в самых различных областях - это металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. В последние годы наблюдается рост темпов и масштабов развития водородной энергетики на нашей планете Основная задача заключается в производстве топливных элементов и использовании водорода для получения электрической энергии.
Топливные элементы
