Применение топливных элементов с протонообменной мембраной

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Омский государственный технический университет

Применение топливных элементов с протонообменной мембраной

Беляев Павел Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Аннотация

В статье рассматриваются топливные элементы различной химической природы. Дана упрощенная классификация топливных элементов, кратко проанализированы достоинства и недостатки каждого типа, их характеристики и принцип действия. Определены наиболее эффективные для конкретных областей электроснабжения.

Ключевые слова: топливный элемент, топливная ячейка, водород, электрохимическая реакция, протонообменная мембрана.

топливный элемент протонообменный мембрана

В настоящее время энергия является своего рода источником жизни для современного общества. Логично предположить, что с прогрессом общества растет и потребность в увеличении производства энергии [1-2]. На данный момент эта потребность чаще всего удовлетворяется посредством использования ископаемых источников энергии, таких как нефть, газ, уголь и др. [3]. Но это всего лишь временное решение, так как выбросы при переработке данного топлива оказывают огромное негативное воздействие на окружающую среду, да и сам топливный ресурс ограничен.

Решение этих проблем с помощью возобновляемых источников энергии также затруднительно из-за ряда их недостатков, таких как низкий КПД, привязанность к особым природным условиям, необходимым для нормальной работы источника, сложности при интегрировании их в большие энергосистемы.

Решением проблемы энергоснабжения вполне могут стать топливные элементы. Так как они обладают широкой областью применения и по сравнению с другими преобразователями энергии отличается рядом преимуществ. К ним относятся высокий суммарный КПД и простота конструкции.

Приоритетное значение имеет их экологичность и практически отсутствие вредных выбросов в окружающую среду.

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, схожее с гальваническим элементом. Однако разница между ними в том, что в топливный элемент вещества для протекания электрохимической реакции подаются, а не содержатся в нем изначально. Он способен функционировать до тех пор, пока не прекратится подача топлива и окислителя от внешнего источника. Принципиальная схема топливного элемента показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема топливного элемента

Атомы топлива, поступающего на анод, делятся на протоны и электроны. Электроны двигаются по внешней цепи к катоду, создавая постоянный электрический ток. Протоны двигаются к катоду, но проходя через электролит. На катоде протоны и электроны соединяются с окислителем с образованием воды. Продуктами данной реакции являются тепло и водяной пар. В настоящее время разработаны и активно используются несколько типов топливных элементов:

щелочные топливные элементы (Alkaine Fuel Cells , AFC); топливные элементы с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells,

PEMFC); топливные элементы на основе ортофосфорной (фосфорной) кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells,

PAFC); топливные элементы на основе расплавленного карбоната (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC); твердотельные оксидные топливные элементы (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) [4].

Рассмотрим топливные элементы с протонообменной мембраной как наиболее перспективные на настоящий момент. Этот тип топливных элементов относится к низкотемпературным элементам (рабочая температура до 100°С). К особенностям топливных элементов с протонообменной мембраной относятся высокая плотность энергии и быстрое изменение производительности. В настоящее время эффективность некоторых PEMFC доходит до 70-80 %, т. е. примерно в два раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, если использовать выделяемое при работе тепло.

Сочетание высокой энергетической плотности, низкой температуры и практически отсутствия выбросов загрязняющих веществ дает тенденцию для расширения использования топливных элементов с протонообменной мембраной в автомобилях и для жилых помещений.

Ресурс работы такого элемента составляет 20 000 часов в стационарных и 5000 часов в мобильных установках [5].

Ячейка данного топливного элемента (Единичная ячейка PEMFC показана на рисунке 2) скомпонована из пакета последовательно собранных мембран и электродов, сжатых через уплотнительные элементы силовыми пластинами с токосъемными элементами. На концах ячейки расположены концевые пластины (графитовые электроды) с газовыми каналами.

Рис. 2. Единичная ячейка PEMFC [6]

Замена жидкого электролита протонообменной мембраной значительно упростила технологию изготовления всей конструкции. Но вместе с этим к ним выдвигаются особые требования. Мембраны должны обладать высокой ионной проводимостью, малой газопроницаемостью, высокой механической прочностью и отсутствием электронной проводимости.

Толщина мембраны составляет 0,3-0,9 мм. Она контактирует с основной частью поверхности электрода. От контакта мембраны с электродом зависит величина внутреннего сопротивления топливного элемента. Топливо и окислитель подаются через специальные каналы в корпусе. В качестве катализатора используется платина и палладий, что значительно удорожает конструкцию, но позволяет добиться плотности тока на уровне 300-500 мА/см2, при этом величина максимального падения напряжения приблизительно равна 30 % [6].

На рисунке 3 приведена принципиальная схема топливного элемента с протонообменной мембраной.

Рис. 3. Принципиальная схема PEMFC

Реакции, происходящие в ячейке, описаны следующими формулами: На аноде:

H2 > 2H+ + 2e- (1)

На катоде:

ЅO2 + 2H+ + 2e- > H2O (2)

Суммарная реакция в PEMFC топливном элементе:

H2 + ЅO2 > H2O (3)

К недостаткам этого типа элемента относят чувствительность к примесям в топливе, невозможность использования вырабатываемого тепла [7].

Топливные элементы служат источником энергии для компьютеров и телефонов, промышленных объектов, домов и автомобилей, железнодорожного транспорта, морских судов, самолетов и космических кораблей. Именно топливные элементы могли бы разрешить проблему электроснабжения регионов, не присоединенных к единой электросети, что составляет около 60 % территории страны.

В основном все исследования в данной области находятся на стадии НИОКР или находят узкое применение для специальных разработок. К сожалению, о широкомасштабном производстве пока речи не идет.

После проведения анализа современного состояния разработок в области топливных элементов можно прийти к выводу, что на данный момент наиболее часто топливные элементы используются для энергоснабжения стационарных установок малой и средней мощности, а также для электроснабжения автомобилей и портативной электроники.

Для потребителей малой мощности, таких как портативная электроника, более эффективны топливные элементы с протонообменной мембраной.

Литература

Комарова Н. Г. Состояние гелиоэнергетики в мире / Н. Г. Комарова, П. В. Беляев // Динамика систем механизмов и машин. - 2014. - № 1. - С. 198-202.

Соболев А. В., Беляев П. В. Обзор гелиоэнергетики в России / А. В. Соболев, П. В. Беляев // Динамика систем механизмов и машин. - 2014. - № 1. - С. 194-198.

Гольцов В. А. После Вернадского: синергизм биосферы и виртуальность водородной цивилизации / В. А. Гольцов, Л. Ф. Гольцова // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 2. - С. 10-27.

Revankar S. T., Majumdar P. Fuel cells: principles, design, and analysis. - CRC Press, New York, 2014.

Hwang J. J. Review on development and demonstration of hydrogen fuel cell scooters // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2012. - Т. 16. - №. 6. - С. 3803-3815.

Билоненко Р. А. Современное состояние и перспективы развития топливных элементов // Авиационно-космическая техника и технология. - 2013. - №. 6. - С. 83-93.

Романов А. Д., Чернышов Е. А., Романова Е. А. Сравнительный обзор и оценка эффективности воздухонезависимых энергетических установок различных конструкций // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №. 6. - C. 67.

Размещено на Allbest.ru