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

Паливний елемент – це пристрій, який ефективно генерує тепло і постійний струм внаслідок електрохімічної реакції та використовує паливо, багате на водень. В принципі, він схожий на акумулятор. Конструктивно паливний елемент представлений катодом, анодом та електролітом. Наскільки це чудово? На відміну від самих батарей водневі паливні елементи не накопичують електрику, не потребують електрики для підзарядки і не розряджаються. Осередки продовжують виробляти електрику до того часу, поки вони є повітря і паливо.

Особливості

Відмінність паливних елементів з інших генераторів електроенергії у тому, що вони спалюють паливо під час роботи. Завдяки цій особливості їм не потрібні ротори високого тиску, вони не видають сильних шумів та вібрацій. Електроенергія у паливних елементах генерується безшумною електрохімічною реакцією. Хімічна енергія палива в таких пристроях перетворюється безпосередньо у воду, тепло та електрику.

Паливні елементи дуже ефективні і не виділяють велику кількість парникових газів. Продуктом викиду під час роботи елемента є невелика кількість води у вигляді пари та вуглекислого газу, яка не виділяється, якщо як паливо використовується чистий водень.

Історія появи

У 1950-х та 1960-х роках зростаюча потреба НАСА в джерелах енергії для довгострокових космічних польотів призвела до одного з найважливіших завдань паливних елементів, що існували на той час. Лужні елементи використовують кисень і водень як паливо, які під час електрохімічної реакції перетворюються на корисні побічні продукти під час космічного польоту: електрику, воду та тепло.

Вперше паливні елементи було виявлено на початку 19 століття, 1838 року. Тоді ж з'явилися перші відомості про їхню ефективність.

Робота над паливними елементами з використанням лужних електролітів розпочалася наприкінці 1930-х років. Осередки з нікельованими електродами високого тиску були винайдені до 1939 року. Під час Другої світової війни було розроблено паливні елементи для британських підводних човнів, що складаються з лужних елементів діаметром близько 25 сантиметрів.

Інтерес до них збільшився у 1950-1980-ті роки, що характеризувались дефіцитом мазуту. Країни по всьому світу почали боротися із забрудненням повітря та навколишнього середовища, намагаючись розробити екологічно безпечні способи виробництва електроенергії. Технологія виробництва паливних елементів у час перебуває у стадії активної розробки.

Принцип роботи

Тепло та електрика виробляються паливними елементами внаслідок електрохімічної реакції, в якій використовуються катод, анод та електроліт.

Катод та анод розділені протонопровідним електролітом. Після подачі кисню до катода і водню до анода запускається хімічна реакція, яка виробляє тепло, струм та воду.

Молекулярний водень дисоціює на анодному каталізаторі, що призводить до втрати електронів. Іони водню потрапляють на катод через електроліт, а електрони проходять через зовнішню електричну мережу та створюють постійний струм, який використовується для живлення обладнання. Молекула кисню на катодному каталізаторі з'єднується з електроном і протоном, що надходять, в кінцевому підсумку утворюючи воду, яка є єдиним продуктом реакції.

Типи

Вибір конкретного типу паливного елемента залежить від його застосування. Усі паливні елементи поділяються на дві основні категорії: високотемпературні та низькотемпературні. Останні використовують як паливо чистий водень. Такі пристрої зазвичай вимагають перетворення первинного палива на чистий водень. Процес складає спеціальному устаткуванні.

Високотемпературні паливні елементи їх не потребують, тому що вони перетворюють паливо при високих температурах, усуваючи необхідність у водневій інфраструктурі.

Принцип дії водневих паливних елементів заснований на перетворенні хімічної енергії на електричну без неефективних процесів горіння та на перетворенні теплової енергії на механічну.

Загальні поняття

Водневі паливні елементи – це електрохімічні пристрої, що виробляють електроенергію за рахунок високоефективного холодного спалювання палива. Є кілька видів таких пристроїв. Найперспективнішою вважається технологія воднево-повітряних паливних елементів, оснащених протонообмінною мембраною PEMFC.

Полімерна мембрана з протонною провідністю призначена для поділу двох електродів: катода та анода. Кожен їх представлений вуглецевої матрицею, яку нанесений каталізатор. Молекулярний водень дисоціює на анодному каталізаторі, віддаючи електрони. Катіони проходять до катода через мембрану, проте електрони передаються у зовнішній ланцюг, оскільки мембрана не призначена для перенесення електронів.

Молекула кисню на катодному каталізаторі з'єднується з електроном з електричного ланцюга і протоном, що поступає, в кінцевому підсумку утворюючи воду, яка є єдиним продуктом реакції.

Водневі паливні елементи використовуються для мембранно-електродних збірок, які служать основними генеруючими елементами енергетичної системи.

Переваги водневих паливних осередків

Серед них слід виділити:

• Збільшення питомої теплоємності.
• Широкий діапазон температур.
• Відсутність вібрації, шуму та нагріву.
• Надійність при холодному запуску.
• Відсутність саморозряду, що гарантує тривалий термін зберігання енергії.
• Необмежена автономність завдяки можливості регулювання енергоспоживання за рахунок зміни кількості паливних картриджів.
• Забезпечує практично будь-яку енергоємність за рахунок зміни ємності зберігання водню.
• Довгий термін.
• Безшумна та екологічно чиста робота.
• Висока енергоємність.
• Стійкість до сторонніх домішок у водні.

Область застосування

Завдяки своїй високій ефективності водневі паливні елементи використовуються в різних галузях:

• Портативні зарядні пристрої.
• Системи живлення для БПЛА.
• ДБЖ.
• Інші пристрої та обладнання.

Перспективи водневої енергетики

Широке поширення паливних елементів на основі перекису водню стане можливим лише після створення ефективного способу одержання водню. Потрібні нові ідеї для активного використання цієї технології, при цьому великі надії покладаються на концепцію біопаливних елементів та нанотехнологій. Деякі компанії випустили відносно ефективні каталізатори на основі різних металів, водночас з'явилася інформація про створення безмембранних паливних елементів, що дозволило значно знизити виробничі витрати та спростити конструкцію таких пристроїв. Переваги та характеристики водневих паливних елементів не переважають їх головний недолік – високу вартість, особливо у порівнянні з вуглеводневими пристроями. На будівництво водневої електростанції потрібно щонайменше 500 тисяч доларів.

Як зібрати паливний елемент на водні?

Маломощний паливний елемент можна створити самостійно у звичайній домашній або шкільній лабораторії. Як матеріали використовувалися старий протигаз, шматочки оргскла, водний розчин етилового спирту та лугу.

Корпус водневого паливного елемента виготовляється вручну з оргскла завтовшки не менше ніж п'ять міліметрів. Перегородки між відсіками можуть бути тоншими – близько 3 міліметрів. Оргскло приклеюється спеціальним клеєм на основі хлороформу або дихлоретану та стружкою оргскла. Всі роботи проводяться тільки при працюючій витяжці.

У зовнішній стінці корпусу проходить отвір діаметром 5-6 сантиметрів, в який вставляється гумова пробка та скляна зливна трубка. Активоване вугілля із протигазу засипається у другий та четвертий відсіки корпусу паливного елемента — воно використовуватиметься як електрод.

Паливо циркулюватиме в першій камері, а п'ята буде заповнена повітрям, з якого надходитиме кисень. Залитий між електродами електроліт просочують розчином парафіну та бензину, щоб він не потрапив у повітряну камеру. На шар вугілля кладуть мідні пластини з припаяними до них проводами, якими буде відводитися струм.

У зібраний водневий паливний елемент заправляють горілку, розведену водою у співвідношенні 1: 1. В отриману суміш обережно додають гідроксид калію: 70 г калію розчиняють у 200 г води.

Перед випробуванням паливного елемента на водні паливо заливається до першої камери, а електроліт — до третьої. Показання вольтметра, підключеного до електродів, повинні бути в межах від 0,7 до 0,9 вольт. Щоб забезпечити безперервну роботу осередку, необхідно злити паливо, що відпрацювало, і залити нове паливо через гумовий шланг. Натискання на шланг регулює швидкість подачі палива. Такі саморобні водневі паливні елементи мають невелику потужність.