Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Цвелев Д.Д. 1 Жевтяк А.М. 1
1 ФГБОУ ВО "Самарский государственный технический университет"
Статья содержит большой аналитический материал, посвященный использованию топливных элементов. Авторы подробно описывают преимущества использования топливных элементов на водородной основе. Особое внимание в статье уделяется разработкам и принципу работы перспективного проточного топливного элемента, не содержащего благородных металлов и имеющего производительность в десятки и сотни раз больше, чем у микробных топливных элементов. Авторы обращают особое внимание на истощение традиционных источников энергии и высказывают позицию о возможности постепенного перехода на альтернативную водородную мощность в замену ДВС и обычным гальваническим элементам. Рассматриваются вопросы получения биомассы и её использования в качестве источника чистого водорода. В статье даётся обзор важнейшим мировым научным разработкам в области биоэнергетики и автоматизированном автономном питании. Излагаются в систематизированном виде основные открытия, связанные с питанием топливных элементов водородным топливом. Рассматривается теория нулевых выбросов в окружающую среду при использовании водородных топливных элементов. Научная новизна работы заключается в обширной систематизации текущих научных работ в области синтеза водорода и создании топливных элементов на его основе, а также топливных элементов, работающих на биоматериале.
топливный элемент
биомасса
проточный топливный элемент
водород
источник энергии
1. Василов, Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Cообщение 3: биогаз / Р. Г. Васильев // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. – 2007. – Т. 3. – № 3. – С. 54–61.
2. Иванов, А.А. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебное пособие / А.А. Иванов. — М.: Форум, 2016. — 224 c.
3. Конгмин Лю, Чжэ Чжан, Вэй Лю, Донг Сю, Хуа Го, Гуанли Хе, Сяньмин Ли, Юйлинь Дэн, Проточный топливный элемент, работающий на горючих сельскохозяйственных отходах, Чистая энергия, - 2018. – Т. 1. - №45. –С. 20-28.
4. Никольская, А. Б. Каталитические системы получения водорода биофотолизом воды: дис. … канд. хим. наук: 02.00.04, 03.01.06 / А. Б. Никольская. – Москва, 2012. – 169 с. : ил. – Библиогр. : с 130-169.
5. Садраддинова, Э. Р. Микробная переработка целлюлозосодержащего органического сырья в водород: дис. … канд. биол. наук: 03.02.03, 03.01.06 / Э. Р. Садраддинова. – Москва, 2010. – 115 с.: ил. – Библиогр.: с 83-115.
6. Садраддинова, Э. Р. Скрининг микробных сообществ–продуцентов биоводорода / Э. Р. Садраддинова // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. ЮА Овчинникова. – 2013. – Т. 9. – №. 2. – С. 43-51.
7. A. M. Скундин, Г.Я. Воронков. Химические источники тока. 210 лет. – М.: Поколение, 2010. – 352 с.

Введение

Топливные элементы находят себе многочисленные применения. Практически любые устройства, использующие гальванические элементы и аккумуляторы, могут быть успешно переведены на питание от топливных элементов. Топливные элементы работают более продолжительное время и имеют улучшенные характеристики [1, с. 23].

Автоматизированный топливный элемент позволяют улучшить экологическую обстановку объектов с одновременной оптимизацией экономического эффекта.

При использовании биомассы в качестве топлива могут участвовать различные типы биомассы, включая целлюлозу, крахмал, древесные порошки и полиолы. Благодаря использованию жидких катализаторов для замены катализаторов из благородных металлов топливный элемент имеет очень высокую устойчивость к органическим и неорганическим примесям, а также низкую стоимость, что делает целесообразным его массовое использование.

Развитие информационных технологий и автоматизации в области переработки биомассы решает проблему получении энергии на основе биотоплива [2, с. 114]..

Биомасса, как источник энергии

Всевозрастающее внимание к биомассе связано, в первую очередь, с безвозвратным истощением мировых запасов ископаемого топлива, а также стремлением к энергосбережению и сокращению выделения в окружающую среду парниковых газов. Прогнозы на ближайшее будущее по запасам нефти и газа являются весьма пессимистичными. Биомасса, как отмечалось выше, в качестве источника энергии находит все более широкое распространение. На данный момент она занимает шестое место по запасам среди доступных источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти, природного газа и пятое по производительности после прямой солнечной, ветряной, гидро и геотермальной энергии. Биомассу подразделяют на древесную (до 80 %), травяную и плодовую, также к ней относят отходы пищевой, сельскохозяйственной и лесоперерабатывающей промышленностей. В России ежегодно накапливается до 270 млн. тонн (по сухому веществу) органических отходов, из них 230 млн. тонн составляют сельскохозяйственные отходы и 50 млн. тонн – ТБО (твёрдые бытовые отходы). В связи с чем, проблема поиска дешёвого альтернативного источник энергии может быть решена вкупе с проблемой утилизации крупнотоннажных отходов.

Получение водорода из биологического сырья

В течение последнего десятилетия можно наблюдать значительное возрастание интереса к водородной энергетике, что обусловлено необходимостью создания экономически эффективной и экологически безопасной системы энергообеспечения жизнедеятельности человека и функционирования объектов экономики. Повышенное внимание уделяют также такому виду сырья, как биомассе кислород-продуцирующих микроорганизмов: микроводорослям и цианобактериям, – так как она является перспективным углеводсодержащим субстратом для анаэробного сбраживания бактериями, образующими водород. Использование водород-образующих микроорганизмов позволяет одновременно разработать технологию получения водорода и решить проблему переработки отходов путём их микробной конверсии.

Реализация производства водородного топлива в первую очередь связана с поиском и разработкой экономичной и экологически безопасной технологии его получения. Впоследствии возник термин «биоводород», обозначающий водород, полученный биологическим (микробиологическим) способом [ 6, с. 48]. Многие исследовательские разработки, посвящённые получению водорода, направлены на использование в качестве исходного сырья крахмало- и целлюлозосодержащих отходов, легко превращаемых в сахара, тем самым способствуя решению проблемы утилизации многотоннажных отходов различных отраслей промышленности.

Главным преимуществом биологических методов получения водорода над химическими и электрохимическими является то, что процессы катализируется микроорганизмами при относительно невысоких температурах и атмосферном давлении в окружающей среде.

По механизму образования водорода можно выделить следующие процессы:

· биофотолиз воды зелёными микроводорослями (прямой) и цианобактериями (непрямой) [4, с. 150].;

· фоторазложение органических веществ фотосинтезирующими бактериями;

· темновая ферментация органических веществ анаэробными бактериями (брожение);

Водородный топливный элемент.

Отличием топливных ячеек от прочих генераторов электроэнергии является то, что за время работы они не сжигают топливо. Ввиду такой особенности они не нуждаются в роторах высокого давления, не издают громкого шума и вибраций. Электричество в топливных элементах вырабатывается в результате бесшумной электрохимической реакции. Химическая энергия топлива в таких устройствах преобразуется напрямую в воду, тепло и электричество.

Топливные элементы отличаются высокой эффективностью и не производят большого количества парниковых газов. Продуктом выброса при работе ячеек являются небольшое количество воды в виде пара и углекислого газа, который не выделяется в случае, если в качестве топлива выступает чистый водород.

Преимущества водородных топливных ячеек

Среди них следует выделить:

· Повышенная удельная теплоемкость.

· Широкий температурный диапазон эксплуатации.

· Отсутствие вибрации, шума и теплового пятна.

· Надежность при холодном запуске.

· Отсутствие саморазряда, что обеспечивает длительный срок хранения энергии.

· Неограниченная автономность благодаря возможности корректировки энергоемкости за счет изменения числа топливных баллончиков.

· Обеспечение практически любой энергоемкости благодаря изменению емкости хранилища водорода.

· Длительный срок эксплуатации.

· У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин.

· Высокий уровень энергоемкости.

· Толерантность к сторонним примесям в водороде.

· Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания.

Принцип действия топливного элемента

Топливный элемент является химическим источником тока, осуществляя процесс окисления топлива окислителем. Топливный элемент содержит отрицательный электрод, называемый анодом, и положительный электрод, называемый катодом. Электроды соединены ионным проводником, представляющим собой раствор электролита или ионопроводящую полимерную мембрану. Интерес к созданию топливных элементов как источников электрического тока определяется их высокими характеристиками как преобразователей энергии (кпд 50-95%). Между электродами генерируется разность потенциалов, обеспечивающая электрический ток во внешней электрической цепи [рис. 1].

Рисунок 1 – Схема работы топливного элемента.

В случае водород-кислородного топливного элемента электрохимическую реакцию, протекающую на аноде, отражает уравнение:

(1)

соответственно, катодный процесс может быть представлен в виде:

(2)

Принцип действия топливного элемента построен на протекании химических реакций. В анодную секцию подается p, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина). Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода. Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Проточный топливный элемент

Проточный топливный элемент [рис. 2] - это новая технология, которая использует биомассу непосредственно для выработки электроэнергии. Он может напрямую преобразовывать полимерную природную биомассу, такую как деревья, травы, сельскохозяйственные отходы, водоросли и другие биологические материалы в электричество [5, с. 89].

В гальванических батареях химические реагенты помещены внутрь их [ 7, с. 282]. Когда химические реакции прекращаются из-за истощения батареи, она подлежит замене (или в некоторых случаях перезарядке). Топливные элементы используют химические реагенты (топливо), хранящиеся вне элемента. До тех пор, пока в топливный элемент поступает топливо, он будет (теоретически бесконечно) вырабатывать электрическую энергию. Когда запас топливного элемента истощается, он легко может быть наполнен свежим топливом аналогично современным автомобилям. В идеале, природная биомасса может быть непосредственно использована в качестве топлива в камерах без очистки или химической предварительной обработки.

Рисунок 2 – Топливный элемент с мембраной Nafion® 115.

Для этой новой технологии было сделано несколько важных научных заключений:

- плотность мощности высокая (сравнима с топливными элементами на основе чистого спирта и в 3000 раз выше, чем в топливных элементах на основе микробной целлюлозы);

- катализатор чрезвычайно стабилен и не может быть легко загрязнен, поскольку полиоксометаллаты, устойчивые к токсичным неорганическим и органическим компонентам, используются в качестве катализатора и носителя заряда;

- такие топливные элементы недороги, учитывая использование сырой биомассы без применения благородного металла;

- топливные элементы могут использоваться, как на небольших энергоблоках, так и на крупных электростанциях.

В этом топливном элементе используются два раствора полиоксометаллата, обозначенные ниже, как POM-I и POM-II, с различными окислительно-восстановительными потенциалами: один окисляет биомассу, либо под воздействием солнечного света, либо при нагревании в анодном резервуаре, а другой реагирует с кислородом на катоде.

Выходная мощность проточного топливного элемента в сотни и тысячи раз выше, чем у микробных топливных элементов [3, с. 24]. Этот тип топливного элемента не содержит благородных металлов, как на аноде, так и на катоде, POM-I и POM-II чрезвычайно стабильны без присутствия лишних загрязнений. Результаты экспериментального и экономического анализа показывают, что проточный топливный элемент является чистым и экономически эффективным способом преобразования горючих сельскохозяйственных отходов в электроэнергию.

POM-I () раствор вместе с биоотходами хранится в емкости для анодного электролита. Окисление топлива из биоотходов может происходить в растворе анодного электролита под действием солнечного излучения или прямого нагрева. Раствор восстановленного POM циклически протекает через анод с помощью насоса. Как показано на правой стороне рисунка, в катодном резервуаре хранится водный раствор не-типа Кеггина (POM-II).

Регенерация POM-II осуществляется окислительно-восстановительным окислением кислорода. Для усиления реакции и POM-II в этот момент вводится газораспределитель.

Общий принцип FFC заключается в том, что может окислять биоотходы под действием теплового излучения, восстанавливаzсь с до , а может снова окисляться до с помощью с через каталитическая электрохимическая реакция.

Восстановленный можно затем регенерировать кислородом без катализатора на основе благородного металла. И POM-I, и POM-II используются как катализаторы, а не как реагенты, потому что оба раствора могут быть полностью регенерированы без потери массы. Следовательно, чистая реакция топливного элемента связана только с биоотходами и кислородом .

Заключение

Топливные элементы находят себе многочисленные применения. Практически любые устройства, использующие гальванические элементы и аккумуляторы, могут быть успешно переведены на питание от топливных элементов. Топливные элементы работают более продолжительное время и имеют улучшенные характеристики.

Источники энергии на топливных элементах позволяют улучшить эксплуатационные характеристики роботизированных технических комплексов, увеличивая время их эксплуатации. Так, применение в беспилотных летательных системах, при замене Li-Ion аккумулятора тех же габаритов и веса, увеличивает время пилотирования в 5 и более раз. Бесшумность работы, отсутствие теплового следа, работа в широких диапазонах температур -40 С до +65С обеспечит преимущество в критически-важных ситуациях. Робот, питающийся от топливных элементов, может быть быстро приведен в рабочее состояние в сравнении с другими роботами, требующими времени на зарядку аккумуляторов.

Проточный топливный элемент - это новая технология, которая использует биомассу непосредственно для выработки электроэнергии. Он может напрямую преобразовывать полимерную природную биомассу, такую как деревья, травы, сельскохозяйственные отходы, в электричество. Проточный топливный элемент широкое практическое применение найдет при разработке робота-газонокосилки, где в качестве биомассы будет использована скошенная им на газоне трава. Таким образом, будет решена и проблема утилизации скошенной травы, а отходы, полученные в процессе реакции, являются хорошим удобрением для газонов.

Когда топливные элементы станут неотъемлемой частью нашего обихода, как видеокамеры, сотовые телефоны и портативные компьютеры, мы сможем использовать их для питания наших роботов.


Библиографическая ссылка

Цвелев Д.Д., Жевтяк А.М. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ // Международный студенческий научный вестник. – 2020. – № 6. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20334 (дата обращения: 01.04.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685