Водородный двигатель

метки: Водородный, Элемент, Топливный, Двигатель, Водород, Реакция, Сейчас, Мощность

Начиная с начала XX в. человечество переживает стремительный технический прогресс. Люди изобретают новые средства передвижения, новые средства коммуникации, новую бытовую технику. Сегодня подавляющая часть всего, чем мы пользуемся, работает от электрической энергии. Существует огромное количество способов ее добычи. Изо дня в день человечество ломает себе голову, пытаясь создать вечный источник энергии, или хотя бы почти вечный, ведь сейчас это один из самых волнующих мировых вопросов. Природные ресурсы рано или поздно закончатся, значит, следует найти альтернативный способ добычи энергии.

водородном топливном элементе,

Для этого я собираюсь разузнать об истории создания первых ТЭ, области их применения, разобраться в процессах, происходящих при работе устройства, собрать воедино все плюсы и минусы и оценить перспективы водородного топливных элементов. Перспективы применения">топливного элемента в будущем.

^

водородный топливный элемент

Топливный элемент (ТЭ)

^

О

^

бщая схема для всех видов ТЭ одинакова: устройство состоит из электролита, с двух сторон ограниченным электродами, со стороны анода идет подача водорода, где он диссоциирует и теряет электрон, в то время как положительный ион уходит в электролит через мелкие поры в аноде. Со стороны катода подается кислород, который соединяется с анионом водорода и электроном, прошедшим через цепь между электродами (см. Рис.1).

Таким образом, единственным продуктом реакции является вода. В качестве катализатора на электродах используется напыление платины или сплавов группы платиноидов. Помимо электрической, также выделяется тепловая энергия.

^

Рис.2

ТЭ с кислым электролитом

Главными преимуществами водородных топливных элементов являются его исключительная экологичность и крайне высокий КПД. Для сравнения, современные ДВС имеют КПД около 20%, в то время как у топливного элемента он может достигать 80% и более. Интересный факт, что КПД топливного элемента в теории может быть более 100%. И, как ни странно, это не противоречит законам сохранения энергии. В топливном элементе используется только внутренняя энергия вещества, подаваемого извне. Топливный элемент может использовать энергию из окружающей среды для преобразования в электрическую, но пока что, к сожалению, лишь в теории.

Топливные элементы

... ДЕЙСТВИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В топливных элементах химическая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращается непосредственно в электрическую энергию, в качестве примера обратим внимание на принципиальную ... некоторых металлов) и основы электродов (графит и никель). Срок службы некоторых ТЭ достигает 40 тыс. часов. 3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ Для увеличения ...

^

Классификация топливных элементов.

Топливные элементы принято классифицировать по типу электролита. Существует большое количество вариантов использования электролита в устройстве, каждый из которых отличается рабочей температурой, побочными продуктами реакции, давлением внутри и т.д. Наибольшее распространение сейчас получили варианты:

• 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).

Краткие сведения о самых распространенных типах топливных элементов представлены в таблице:

Тип элемента	Рабочие температуры, °С	КПД (выход электрической энергии, %)	Суммарный КПД, %
PEMFC	60–160	30–35	50–70
PAFC	150–200	35	70–80
MCFC	600–700	45–50	70–80
SOFC	700–1 000	50–60	70–80

Таблица 1. Сведения о типах топливных элементов

Кроме того, перспективными вариантами топливных элементов представляются:

• Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell, DMFC).

• Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells, AFC).

Глава 3. История топливного элемента

Принцип работы топливного элемента был описан относительно недавно – в середине XIX в., а применение он получил и вовсе лишь к середине XXв.

^

В 1838 году швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн описал принцип действия устройства, позднее названного топливным элементом. Его статья была опубликована в «Философском журнале» спустя год. В 1839 году английский физик и химик Уильям Роберт Грове создал элемент, который он назвал «газовой батареей», который, по сути, являлся первым топливным элементом.

Л

^ Space Shuttle»

ишь в XXв. топливный элемент получил применение. В 1955г. Томас Грубб, сотрудник компании «General Electric», модифицировал топливный элемент Грове, добавив в него ионообменную мембрану, коей не было в первичном варианте элемента. Далее, через 3 года его коллега по работе, Леонард Нидрах, предложил использовать напыление платины на мембрану. Топливный элемент получил название «элемент Грубб-Нидрах», после чего компания General Electric продолжила работу над устройством и, в сотрудничестве с NASA и McDonnell Aircraft, выпустила первый коммерческий топливный элемент.¹

В 60-х годах NASA искала компактный, надежный и продуктивный источник энергии для космических полетов. В качестве него были выбраны топливные элементы, использовавшиеся в программе «Apollo». На корабле было задействовано 3 электрохимических генератора, каждый по 1,5 кВт мощности. В процессе программы «Space Shuttle» на корабли устанавливались по 3 установки 12 кВт каждая (см. Рис.4), которые полностью обеспечивали корабль электроэнергией, а вода, являющаяся продуктом реакции, использовалась как питьевая или в качестве охлаждения техники на корабле. ²

Успех в использовании ТЭ в программе «Space Shuttle», по моему мнению, дал старт развитию нового направления в энергетике – водородной энергетики.

^

Водородная энергетика – отрасль энергетики, использующая водород в качестве средства для аккумулирования энергии. Водородную энергетику относят к нетрадиционным типам энергетики. На данный момент эта отрасль находится в начале развития, но с каждым годом развивается все быстрее.

^

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья. К ним относятся:

• паровая конверсия метана и природного газа;

• газификация угля;

• электролиз воды;

• пиролиз;

• частичное окисление;

• биотехнологии;

• глубинный газ планеты.

Среди них самые простые и перспективные способы добычи, это:

Паровая конверсия, Газификация угля

В настоящее время самым распространенным способом добычи водорода является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики может являться снижение выброса парниковых газов. Энергия ветра и солнца вполне может стать таким источником.

^

Хранение водорода — одно из промежуточных звеньев в жизненном цикле водорода от его производства до потребления. Разработка наиболее экономичных и эффективных способов хранения водорода представляет собой одну из главных технологических проблем водородной энергетики .

Обычно водород хранят в сжиженном или сжатом газообразном состоянии. Основные проблемы, требующие решения при разработке технологий хранения водорода, имеют отношение к обеспечению их рентабельности и безопасности, что напрямую связано с химическими и физическими свойствами водорода. ⁴ Например, современные баллоны высокого давления, позволяющие хранить водород при 800 атм., содержат 5-7 весовых % водорода по отношению к общей массе баллона.

Чистый водород – не единственный вид топлива для питания топливного элемента. Среди водородосодержащих веществ наиболее рациональными в использовании считаются метанол, природный газ, керосин. Для хранения метанола доля весовых % в водородном эквиваленте достигает 13%. Пока такая энергоёмкость является максимальной из всех известных систем хранения топлива для топливных элементов. ⁵

^

топливных элементов.

На данный момент существует мало крупных предприятий, приоритетно занимающихся водородной энергетикой. Но при этом, есть огромное количество компаний, планирующих в ближайшем будущем перейти именно на производство техники, использующей в качестве топлива водород. Водородная энергетика и топливные элементы в частности могут быть направлены в разные сферы производства, такие как:

1. Автомобильный транспорт

2. Воздушный транспорт

3. Железнодорожный транспорт

4. Мобильные источники энергии

   [Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-vodorodnyie-dvigateli/

Например, компания «Horizon Fuel Cell Technologies» выпустила в продажу портативное зарядное устройство «miniPak», использующее в качестве источника энергии заправляемые водородом картриджи. Водород при маленьком давлении хранится в специальном абсорбенте. ⁶

5. Полномасштабные электростанции

Сейчас в экспериментальном режиме работает довольно большое количество электростанций на основе топливных элементов. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Аналогичный проект под названием «GreenGen» создан в Китае. Планируемая суммарная мощность электростанции 650 МВт.

6. Питание небольших локальных областей (дома, деревни).

Сегодня производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт, в основном, представлено следующими компаниями:

Ballard Power Systems	Канада	PEMFC	1 кВт.
Acumentrics	США	SOFC	2—10 кВт
Ceramic Fuel Cells	Австралия — Великобритания	SOFC	1 кВт. Общий КПД более 80 %
Cosmo Oil	Япония	PEMFC	0,7 кВт
European Fuel Cells	Германия	PEMFC	1,5 кВт
Hitachi Zosen	Япония	—	от 10 кВт до сотен кВт. КПД 86 %
Sanyo Electric	Япония	PEMFC	1 кВт. Общий КПД 92 % при производстве тепловой и электрической энергии
Toyota Motor Corporation совместно с Aishin Seiki	Япония	^	В 2006 году начали испытания нескольких установок мощностью 1 кВт. КПД 90%. Мощность SOFC установок 0,7 кВт.

Также компании занимаются производством более крупных электрохимических генераторов с мощностью от 10 кВт:

Ansaldo Fuel Cells	Италия	MCFC	500 кВт — 5МВт
FuelCell Energy	США	MCFC	250 кВт — 1МВт
MTU CFC Solutions	Германия	MCFC	200 кВт — 3 МВт
UTC Fuel Cells	США	^	200 кВт, транспортные приложения
Mitsubishi Heavy Industries	Япония	SOFC, PEMFC	200 кВт. Также разрабатывается 700 МВт SOFC электростанция
Siemens AG Power Generation	Германия	SOFC	125 кВт

Как и у любого устройства, топливный элемент имеет свои достоинства…:

• Экологичность – отсутствие вредных продуктов реакции;

• Крайне высокий КПД;

• Компактность – по сравнению с традиционными источниками питания, водородный элемент легче и занимает гораздо меньше пространства.

…и недостатки:

• Цена – из-за использования платины она очень высока;

• Сложность производства и хранения водорода;

• Постепенное отравление катализатора, вследствие не идеальной чистоты топлива

Использование различных металлов, в виде катализатора, помимо сплавов платиноидов, не дало положительных результатов. Сейчас исследуется возможность применения ферментов, как катализатора. В качестве преимуществ топливного элемента на основе ферментов можно выделить следующие:

1. Ферменты являются полностью возобновляемыми катализаторами, их производство способно обеспечить растущий спрос на топливные элементы.

2. Стоимость ферментов при их массовом производстве существенно падает до 10-15 рублей за грамм, что в сотни раз дешевле платины.

3. Ферментные электроды не отравляются примесями окиси углерода (СО) и сероводорода (Н2S), присутствующими в дешевых топливах.

4. Ферменты катализируют только присущие им реакции, неизбежное проникновение газов в противоположный отсек топливного элемента не приводит к уменьшению КПД преобразования энергии. ⁷

Заключение

Водородный топливный элемент имеет ряд значительных, безусловных преимуществ над большинством ныне используемых источников энергии. Мало того, в нем, фактически, отсутствуют явные недостатки. Отбросив высокую стоимость, топливный элемент без компромиссов лидирует среди прочих источников энергии по всем параметрам. Единственное, что мешает его повсеместному использованию сегодня – неразвитость водородной инфраструктуры. С каждым годом появляются новые способы добычи, хранения водорода, рационального использования энергии в топливных элементах, новые, менее дорогие материалы. Все это в совокупности обеспечивает продвижение технологий на новый уровень – уровень, когда водородная энергетика более не будет являться нетрадиционным видом энергетики.

Таким образом, можно утверждать, что водородный элемент способен выйти на мировой рынок и вытеснить прочие источники питания, и, скорее всего, это произойдет в ближайшие 10-15 лет. Переход человечества на водородную энергетику – это переход на новую ступень технологического прогресса.

Примечания

Металлы платиновой группы (МПГ, Платиновая группа, Платиновые металлы, Платиноиды) — коллективное обозначение шести переходных металлических элементов (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина), имеющих схожие физические и химические свойства, и, как правило, встречающихся в одних и тех же месторождениях.

^

1. ABOK – научно-популярный журнал; М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ, Н. В. Шилкин, инженер. AВОК №2/2004

2. Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания – научно-популярный интернет портал http://www.powerinfo.ru – топливные элементы.

3. Википедия. Интернет ресурс, свободная интернет энциклопедия. ru.wikipedia.org

• Топливный элемент

• Хронология водородных технологий

• Водородная энергетика

• Хранение водорода

• Производство водорода

• Прямой метанольный топливный элемент

4. Сергей Сырой Топливные элементы: экскурс в будущее. Научно-популярная статья.