Топливные элементы на метаноле, Ученые УрФУ предложили использовать метанол в электромобилях
Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Таким образом, можно выделить два основных отличия топливных элементов:. Однако реализация этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах затруднительно, так как протонные помпы митохондрий имеют белковую природу. Прочие способы, в которые водород вовлечён в качестве вторичного энергоносителя, неизбежно нивелируют его роль от топлива до своего рода химического аккумулятора. В заключении приведем сводную таблицу по сравнению характеристик различных видов топливных элементов.
При прямом сжигании топлива оно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы. В топливном элементе, как и в батарейках, реакции окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" протекает, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД.
Последнее объясняется тем, что, во-первых, нет промежуточных механических устройств и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и вследствие этого не подчиняется закону Карно то есть, его эффективность не определяется разницей температур.
В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то волноваться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. В итоге получается полезная энергия и водяной пар.
Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной см. Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде напряжение на элементе получается порядка 1В.
Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом.
В качестве катализатора в таких топливных элементах как правило применяются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана как правило производится из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. Принцип действия топливного элемента Имеются и другие типы топливных элементов, в основном, отличающиеся типом применяемого электролита.
Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что возникает логичный вопрос: где его взять. Конечно, можно было бы употреблять сжатый водород из баллонов, но тут сразу же появляются проблемы связанные с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Разумеется, можно использовать водород в связанном виде как в металлгидридных аккумуляторах. Но все же остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.
Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно применять жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Но в этом случае уже сложнее думать о портативности - такие устройства хорошо применять в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь менее громоздкое.
И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу рисунок 2.
Принцип действия топливного элемента на метаноле Принципиальная разница между водородным и метанольным толивными элементами заключается в применяемом катализаторе. Катализатор в метанольном топливном элементе позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и транспортировать, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом.
Правда, есть один значительный минус - метанол токсичен. К тому же эффективность метанольного топливного элемента значительно ниже, чем у водородного.
Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива этиловый спирт, благо производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Однако эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых. Как уже отмечалось за много лет разработок в области топливных элементов, построены различные типы топливных элементов.
Топливные элементы классифицируются по электролиту и виду топлива. Твердополимерные водород-кислородные электролитные. Твердополимерные метанольные топливные элементы.
Элементы на щелочном электролите. Фосфорно-кислотные топливные элементы. Топливные элементы на расплавленных карбонатах. Твердооксидные топливные элементы. В идеале КПД топливных элементов очень высок, но в реальных условиях имеются потери, связанные с неравновесными процессами, такими как: омические потери вследствие удельной проводимости электролита и электродов, активационная и концентрационная поляризация, диффузионные потери. Вследствие этого часть энергии, вырабатываемой в топливных элементах, превращается в тепловую.
Усилия специалистов направлены на уменьшение указанных потерь. Главным источником омических потерь, а также причиной высокой цены топливных элементов являются перфторированные сульфокатионитные ионообменные мембраны. Сейчас идут поиски альтернативных, более дешевых протонпроводящих полимеров.
В каталитических газодиффузионных электродах применяется, в основном, платина и некоторые другие благородные металлы, и до сих пор им замены не найдено. Для охлаждения применяют циркулирующую в топливном элементе по специальным каналам воду, а при небольших мощностях - обдув воздухом.
Итак, современная система электрохимического генератора кроме самой батареи топливных элементов "обрастает" множеством вспомогательных устройств, таких как: насосы, компрессор для подачи воздуха, напуска водорода, увлажнитель газов, охлаждающий узел, система контроля утечки газов, конвертер постоянного тока в переменный, управляющий процессор и др.
Все это ведет к тому, что стоимость системы топливных элементов в годах составляла тыс. Для введения топливных элементов в повседневную жизнь, наряду с удешевлением компонентов, нужно ожидать новых оригинальных идей и подходов. В частности, большие надежды связывают с применением наноматериалов и нанотехнологий. Например, недавно несколько компаний заявили о создании сверх-эффективных катализаторов, в частности, для кислородного электрода на основе кластеров наночастиц из различных металлов.
Кроме того, появились сообщения о конструкции топливных элементов без мембран, в которых жидкое топливо например, метанол подается в топливный элемент вместе с окислителем. Интересной является также развиваемая концепция биотопливных элементов, работающих в загрязненных водах и потребляющих в качестве окислителя растворенный кислород воздуха, а органические примеси в качестве топлива. По прогнозам специалистов, топливные элементы выйдут на массовый рынок в ближайшие годы. И действительно, разработчики друг за другом побеждают технические проблемы, рапортуют об успехах и представляют прототипы топливных элементов.
Например, компания Toshiba продемонстрировала готовый прототип метанолового топливного элемента. Он имеет размер 22x56x4,5мм и дает мощность порядка мВт. Toshiba выпустила коммерческий топливный элемент для питания мобильников. Опять же, та же Toshiba демонстрировала элемент для питания ноутбуков размером x75x40мм, дающий возможность компьютеру работать в течение 5 часов от одной заправки. Не отстает от Toshiba и другая японская компания - Fujitsu.
Этот топливный элемент работал на одной заправке в мл на протяжении 10 часов и при этом выдавал мощность 15 Вт. Casio разрабатывает топливный элемент, в котором метанол сперва перерабатывается в смесь газообразных H 2 и CO 2 в миниатюрном топливном преобразователе, а потом уже подается в топливный элемент. Во время демонстрации прототип Casio обеспечивал энергией ноутбук в течение 20 часов. Компания Samsung тоже отметилась на ниве топливных элементов - в м году она демонстрировала свой прототип мощностью 12 Вт, предназначенный для питания ноутбука.
Вообще же, Samsung предполагает применять топливные элементы, в первую очередь, в смартфонах четвертого поколения. Надо сказать, что японские компании вообще очень обстоятельно подошли к разработке топливных элементов. Еще в м году такие компании как Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony и Toshiba объединили усилия с тем, чтобы разработать единый стандарт топливных элементов для ноутбуков, мобильных телефонов, КПК и других электронных устройств. Американские же компании, которых тоже немало на этом рынке, в большинстве своем работают по контрактам с военными и разрабатывают топливные элементы для электрификации американских солдат.
Не отстают и немцы - компания Smart Fuel Cell продает топливные элементы для питания мобильного офиса. Одной из основных проблем DMFC является нежелательная реакция «окисления метанола», которая происходит во время перехода метанола, «то есть, когда он проходит от анода к катоду. Эта реакция приводит к разрушению платинового Pt катализатора, который является важным для работы ячейки. Хотя были предложены определенные стратегии для смягчения этой проблемы, до сих пор ни одна из них не была достаточно хорошей из-за проблем со стоимостью или стабильностью.
Они изготовили - с помощью относительно простой процедуры - катализатор, состоящий из наночастиц Pt, заключенных в углеродную оболочку. Эта оболочка образует почти непроницаемую углеродную сетку с небольшими отверстиями, вызванными дефектами азота. Хотя кислород, один из основных реагентов в DMFC, может достигать Pt-катализатора через эти «дыры», молекулы метанола слишком велики, чтобы пройти через них. Это предотвращает нежелательную реакцию ядер Pt», - объясняет профессор О Чжун Квон из Национального университета Инчхон Корея , который руководил исследованием.
Ученые провели различные эксперименты, чтобы охарактеризовать общую структуру и состав приготовленного катализатора, и доказали, что кислород может пройти через углеродную оболочку, а метанол - нет. Они также нашли простой способ регулировать количество дефектов в оболочке, просто изменяя температуру на этапе термообработки.
В последующих экспериментальных сравнениях их новый очищенный катализатор превзошел коммерческие Pt катализаторы, а также показал гораздо более высокую стабильность. Профессор Квон работает над улучшением катализаторов топливных элементов в течение последних 10 лет, мотивируя это множеством способов, которыми эта технология может найти свое применение в нашей повседневной жизни.
Учитывая будущее нашей планеты, переход на альтернативные виды топлива должен стать одной из главных целей человечества, и это исследование является замечательным шагом в правильном направлении. Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". За всю историю науки зажечь термоядерную мишень в лаборатории до сих пор никому не удавалось, и сегодня над этой задачей трудятся тысячи специалистов по всему миру.
Что такое лазерный термоядерный синтез и зачем он нужен? Рассказывает д. Михаил Леонидович Шматов. Безопасное пространство: улучшение «чистых» метанольных топливных элементов с использованием защитной углеродной оболочки Добавить в закладки.
Автор Подготовила Анна Юдина. Источник: www. Партнеры Показать всех. Наше мобильное приложение. Скачать для Android.
Мы в соцсетях. Ученые оценили состояние мировой популяции синих китов.
