admin / 02.04.2018

Топливные элементы принцип работы и устройство

Топливный элемент

Метанольный топливный элемент в Mercedes Benz Necar 2

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасённого в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Естественным топливным элементом является митохондрия живой клетки. Митохондрии перерабатывают органическое «горючее» — пируваты и жирные кислоты, синтезируя АТФ — универсальный источник энергии для всех биохимических процессов в живых организмах, одновременно создавая разность электрических потенциалов на своей внутренней мембране. Однако копирование этого процесса для получения электроэнергии в промышленных масштабах затруднительно, так как протонные помпы митохондрий имеют белковую природу.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков горючего и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы и аккумуляторы содержат расходуемые твёрдые или жидкие реагенты, масса которых ограничена объёмом батарей, и, когда электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или по крайней мере в них нужно поменять израсходованные электроды и загрязнённый электролит. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны.

Анодные и катодные материалы и катализаторы

Анод и катод, как правило, — это просто проводящий катализатор — платина, нанесенная на высокоразвитую углеродную поверхность.

Типы топливных элементов

Основные типы топливных элементов

Тип топливного элемента Реакция на аноде Электролит Реакция на катоде Температура, °С
Щелочной ТЭ 2 H2 + 4 OH− → 2 H2O + 4 e− Раствор КОН O 2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH− 200
ТЭ с протонно-обменной мембраной 2 H2 → 4 H+ + 4 e− Протоннообменная мембрана O2 + 4 H+ + 4 e− → 2 H2O 80
Метанольный ТЭ 2 CH3OH + 2 H2O → 2 CO2 + 12 H+ + 12 e− Протоннообменная мембрана 3 O2 + 12 H+ + 12 e− → 6 H2O 60
ТЭ на основе ортофосфорной кислоты 2 H2 → 4 H+ + 4 e− Раствор фосфорной кислоты O2 + 4 H+ + 4 e− → 2 H2O 200
ТЭ на основе расплавленного карбоната 2 H2 + 2 CO32− → 2 H2O + 2 CO2 + 4 e− Расплавленный карбонат O2 + 2 CO2 + 4 e− → 2 CO32− 650
Твердотельный оксидный ТЭ 2 H2 + 2 O2− → 2 H2O + 4 e− Смесь оксидов O2 + 4 e− → 2 O2− 1000

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор

Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор использует для производства электроэнергии окисление алюминия кислородом воздуха. Токогенерирующую реакцию в нем можно представить в виде

4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O ⟶ 4 Al ( OH ) 3 , {\displaystyle {\ce {4 Al + 3 O_2 + 6 H_2O -> 4 Al(OH)_3,}}}E = 2 , 71 V , {\displaystyle \quad E=2,71~{\text{V}},}

а реакцию коррозии — как

2 Al + 6 H 2 O ⟶ 2 Al ( OH ) 3 + 3 H 2 ⋅ {\displaystyle {\ce {2 Al + 6 H_2O -> 2 Al(OH)_3 + 3 H_2.}}}

Серьёзными преимуществами воздушно-алюминиевого электрохимического генератора являются: высокий (до 50 %) коэффициент полезного действия, отсутствие вредных выбросов, простота обслуживания.

Преимущества и недостатки

Преимущества водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

Высокий КПД

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.
  • У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).
  • Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. В обычных генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые, в свою очередь, вращают электрический генератор. Результативный максимум КПД составляет 53 %, чаще же он находится на уровне порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %.
  • КПД почти не зависит от коэффициента загрузки.

Экологичность

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

За: В воздух выделяется лишь водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.

Против: водород просачиваясь как из баллона так и топливного элемента, будучи легче воздуха, поднимается в верхнии слои атмосферы, образуя вместе с гелием своеобразную «корону земли» и безвозвратно покидает атмосферу Земли в течение нескольких лет, что при массовом применении технологий на водороде способно привести к глобальной потере воды, если водород будет производиться её электролизом.

Компактные размеры

Топливные элементы легче и имеют меньшие размеры, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях. Например, солдат армии США носит 22 различных типа аккумуляторных батарей. Средняя мощность батареи 20 ватт. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

Проблемы топливных элементов

Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» — зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта?

Большинство элементов при работе выделяют то или иное количество тепла. Это требует создания сложных технических устройств для утилизации тепла (паровые турбины и пр.), а также организации потоков топлива и окислителя, систем управления отбираемой мощностью, долговечности мембран, отравления катализаторов некоторыми побочными продуктами окисления топлива и других задач. Но при этом же высокая температура процесса позволяет производить тепловую энергию, что существенно увеличивает КПД энергетической установки.

Проблема отравления катализатора и долговечности мембраны решается созданием элемента с механизмами самовосстановления — регенерация ферментов-катализаторов.

Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (суперконденсаторы, аккумуляторные батареи).

Также существует проблема получения и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.

Из простых химических элементов водород и углерод являются крайностями. У водорода самая большая удельная теплота сгорания, но очень низкая плотность и высокая химическая активность. У углерода самая высокая удельная теплота сгорания среди твёрдых элементов, достаточно высокая плотность, но низкая химическая активность из-за энергии активации. Золотая середина — углевод (сахар) или его производные (этанол) или углеводороды (жидкие и твёрдые). Выделяемый углекислый газ должен участвовать в общем цикле дыхания планеты, не превышая предельно допустимых концентраций.

Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50% водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока очень дорогостоящие. Очевидно, что при неизменном балансе первичных энергоносителей, с ростом потребностей в водороде как в массовом топливе и развитию устойчивости потребителей к загрязнениям, рост производства будет расти именно за счёт этой доли, а с наработкой инфраструктуры, позволяющей иметь его в доступности, более дорогие (но более удобные в некоторых ситуациях) способы будут отмирать. Прочие способы, в которые водород вовлечён в качестве вторичного энергоносителя, неизбежно нивелируют его роль от топлива до своего рода химического аккумулятора. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт из-за этого неизбежно. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается (см. Ветроэнергетика, Производство водорода). Например, средняя цена электроэнергии в США выросла в 2007 г. до $0,09 за кВт·ч, тогда как себестоимость электроэнергии, произведённой из ветра, составляет $0,04—$0,07 (см. Ветроэнергетика или AWEA). В Японии киловатт-час электроэнергии стоит около $0,2, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии, произведённой фотоэлектрическими элементами. Учитывая территориальную удалённость некоторых перспективных областей (например, транспортировать полученную фотоэлектрическими станциями электроэнергию из Африки напрямую, по проводам, явно бесперспективно, несмотря на её огромный энергетический потенциал в этом плане), даже работа водорода как «химического аккумулятора» может быть вполне рентабельной. По данным на 2010 г. стоимость энергии водородного топливного элемента должна подешеветь в восемь раз, чтобы стать конкурентноспособной с энергией, производимой тепловыми и атомными электростанциями.

К сожалению, в водороде, произведённом из природного газа, будет присутствовать СО и сероводород, отравляющие катализатор. Поэтому для уменьшения отравления катализатора необходимо повысить температуру топливного элемента. Уже при температуре 160 °C в топливе может присутствовать 1% СО.

К недостаткам топливных элементов с платиновыми катализаторами можно отнести высокую стоимость платины, сложности с очисткой водорода от вышеупомянутых примесей, и как следствие, дороговизну газа, ограниченный ресурс элемента вследствие отравления катализатора примесями. Кроме того, платина для катализатора — невозобновляемый ресурс. Считается, что её запасов хватит на 15—20 лет производства элементов.

В качестве альтернативы платиновым катализаторам исследуется возможность применения ферментов. Ферменты являются возобновляемым материалом, они дёшевы, не отравляются основными примесями в дешёвом топливе. Обладают специфическими преимуществами. Нечувствительность ферментов к СО и сероводороду сделала возможным получение водорода из биологических источников, например, при конверсии органических отходов.

История

Первые открытия

Принцип действия топливных элементов был открыт в 1839 г. английским ученым У. Гроувом, который обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества. Свой прибор, где удалось провести эту реакцию, ученый назвал «газовой батареей», и это был первый топливный элемент. Однако в последующие 100 лет эта идея не нашла практического применения.

В 1937 г. профессор Ф.Бэкон начал работы над своим топливным элементом. К концу 1950-х он разработал батарею из 40 топливных элементов, имеющую мощность 5 кВт. Такую батарею можно было применить для обеспечения энергией сварочного аппарата или грузоподъемника. Батарея работала при высоких температурах порядка 200°С и более и давлениях 20-40 бар. Кроме того, она была весьма массивна.

История исследований в СССР и России

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011 года.

В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.

Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80000 часов.

Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт топливные элементы.

В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.

В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.

В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил кандидат технических наук Мирзоев Г. К.

10 ноября 2003 года было подписано Генеральное соглашение о сотрудничестве между Российской академией наук и компанией «Норильский никель» в области водородной энергетики и топливных элементов. Это привело к учреждению 4 мая 2005 года Национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), которая в 2006 году произвела резервную энергетическую установку на основе ТЭ с твёрдым полимерным электролитом мощностью 1 кВт. По сообщению Информационного агентства «МФД-ИнфоЦентр», ГМК «Норильский никель» ликвидирует компанию «Новые энергетические проекты» в рамках объявленного в начале 2009 года решения избавляться от непрофильных и убыточных активов.

В 2008 году была основана компания «ИнЭнерджи», которая занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами в области электрохимических технологий и систем электропитания. По результатам проведенных исследований, при кооперации с ведущими институтами РАН (ИПХФ, ИФТТ и ИХТТ), был реализован ряд пилотных проектов, показавших высокую эффективность. Для компании «МТС» была создана и введена в эксплуатацию модульная система резервного питания на базе водородно-воздушных топливных элементов, состоящая из ТЭ, системы управления, накопителя электроэнергии и преобразователя. Мощность системы до 10кВт.

Водородно-воздушные энергетические системы обладают рядом неоспоримых преимуществ, среди которых широкий температурный диапазон эксплуатации внешней среды (-40..+60С), высокий КПД (до 60%), отсутствие шума и вибраций, быстрый старт, компактность и экологичность (вода, как результат “выхлопа”).

Совокупная стоимость владения водородно-воздушных систем значительно ниже обычных электрохимических батарей. Кроме того, они обладают высочайшей отказоустойчивостью за счет отсутствия движущихся частей механизмов, не нуждаются в техническом обслуживании, а срок их эксплуатации достигает 15 лет, превосходя классические электрохимические батареи вплоть до пяти раз.

Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ. Твердооксидные топливные элементы, разработка которых сейчас активно ведётся, появятся, видимо, после 2016-го года.

Применение топливных элементов

См. также: Водородная энергетика

Топливные элементы первоначально применялись только в космической отрасли, однако в настоящее время сфера их применения непрерывно расширяется. Их применяют в стационарных электростанциях, в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения зданий, в двигателях транспортных средств, в качестве источников питания ноутбуков и мобильных телефонов. Часть этих устройств пока не покинула стен лабораторий, другие уже коммерчески доступны и давно применяются.

Примеры применения топливных элементов

Область применения Мощность Примеры использования
Стационарные установки 5—250 кВт и выше Автономные источники тепло- и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, источники бесперебойного питания, резервные и аварийные источники электроснабжения
Портативные установки 1—50 кВт Дорожные указатели, грузовые и железнодорожные рефрижераторы, инвалидные коляски, тележки для гольфа, космические корабли и спутники
Транспорт 25—150 кВт Автомобили и другие транспортные средства, военные корабли и подводные лодки
Портативные устройства 1—500 Вт Мобильные телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры, различные бытовые электронные устройства, современные военные приборы

Широко используются высокомощные энергетические установки на базе топливных элементов. В основном такие установки работают на основе элементов на базе расплавленных карбонатов, фосфорной кислоты и твёрдых оксидов. Как правило, такие установки используют не только для выработки электроэнергии, но и для получения тепла.

Большие усилия прилагаются для разработки гибридных установок, в которых высокотемпературные топливные элементы комбинируются с газовыми турбинами. КПД таких установок может достигать 74,6 % при усовершенствовании газовых турбин.

Активно выпускаются и маломощные установки на базе топливных элементов.

Техническое регулирование в области производства и использования топливных элементов

В 19 августа 2004 г. Международной электротехнической комиссией (International Electrotechnical Commission, IEC) был выпущен первый международный стандарт IEC 62282–2 «Технологии топливных элементов. Часть 2, Модули топливных элементов». Это был первый стандарт серии IEC 62282, разработка которой осуществляется Техническим комитетом «Технологии топливных элементов» (TC/IEC 105). В состав Технического комитета ТС/IEC 105 входят постоянные представители из 17 стран и наблюдатели из 15 стран мира.

TC/IEC 105 разработал и издал 14 международных стандартов серии IEC 62282, охватывающих широкий спектр тематики, связанной со стандартизацией энергоустановок на основе топливных элементов. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии Российской Федерации (РОССТАНДАРТ) является коллективным членом Технического комитета ТС/IEC 105 на правах наблюдателя. Координационную деятельность с МЭК со стороны Российской Федерации осуществляет секретариат РосМЭК (Росстандарт), а работы по имплементации стандартов МЭК производятся национальным Техническим комитетом по стандартизации ТК 029 «Водородные технологии», Национальной ассоциацией водородной энергетики (НАВЭ) и ООО «КВТ». В настоящее время РОССТАНДАРТ принял следующие национальные и межгосударственные стандарты, идентичные международным стандартам IEC:

ГОСТ Р 56188.1-2014/IEC/TS 62282-1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология»;

ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 2. Модули топливных элементов»;

ГОСТ Р МЭК 62282-3-100-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-100. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»;

ГОСТ Р МЭК 62282-3-200-2014 «Технологии топливных элементов. Часть 3-200. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик»;

ГОСТ IEC 62282–3–201–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3–201. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик систем малой мощности»;

ГОСТ IEC 62282–3–300–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 3–300. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Монтаж»;

ГОСТ IEC 62282–5–1–2016 «Технологии топливных элементов. Часть 5–1 Портативные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность»

ГОСТ IEC 62282-7-1–2016 «Технологии топливных элементов – Часть 7-1: Методы испытаний единичных элементов для топливных элементов с полимерным электролитом».

Использование топливных элементов в космических аппаратах

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 11 июня 2018 года.

В 2010 году НАСА выдало заказ фирме United Technologies Corporation на разработку перспективного высокотемпературного топливного элемента для ракеты-носителя Space Launch System. Из всех возможных типов топливных элементов именно высокотемпературные отвечают требованиям к компактности, мощности и удельной энергии. Основным топливом будет служить газообразный водород под давлением свыше 90 МПа, кислород будет иметь интерметаллидную форму хранения с возможностью дозаправки от высокотемпературного электролизёра. Современные разработки в институте МИРЭА в области катализаторов позволяют полностью отказаться от металлов платиновых групп, что резко снижает стоимость топливных элементов. Таким образом комплексная интеграция мембранно-электродных блоков с биполярными пластинами позволяет осуществить автономный космический полёт более 5 суток.

> См. также

  • Производство водорода
  • Водородный транспорт

Электрохимический генератор

Изобретение относится к генераторам электрической энергии, преобразующих химическую энергию в электрическую. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости химического генератора электрической энергии, выполненного на основе топливного элемента с жидким электролитом. Согласно изобретению генератор состоит из по крайней мере одного топливного элемента, включающего две раздельные камеры, в каждой из которых содержится электрод, причем первая камера — катодная — выполнена кислородсодержащим газом и содержит воздушный электрод, а вторая — анодная — выполнена водородсодержащим газом и содержит топливный электрод. Каждая из камер снабжена средством для подачи в нее жидкого электролита таким образом, чтобы вызванный электролит поступал непосредственно на поверхность помещенного в нее электрода, стекая с нее и образуя на названной поверхности нестационарную пленку, и стоком, через который электролит выходит из камеры, причем стоки анодной и катодной камер объединены в общий сток для электролита. 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к генераторам электрической энергии, в которых происходит преобразование химической энергии в электрическую. Генератор может использоваться в качестве стационарного источника электрической энергии (преимущественно большой мощности) в любой отрасли промышленности: энергетике, машиностроении, и др.

Генераторы, основанные на электрохимическом способе преобразования энергии, известны. К ним относятся наряду с гальваническими элементами и аккумуляторами, топливные элементы. Топливные элементы включают в основном пару пористых электродов — анод и катод, а также ионный проводник — электролит: раствор щелочи или кислоты, или расплав карбонатов, расположенный между ними. В зависимости от физического состояния электролита топливные элементы подразделяются на элементы с жидким электролитом и твердым электролитом. Через пористые электроды во время работы топливного элемента пропускают газообразные реагенты: через анод — реагент, называемый топливом, а через катод — реагент, называемый окислителем. В качестве топлива в топливных элементах обычно используется водород (H2), реже оксид углерода (CO) и метан (CH4), а в качестве окислителя — кислород (O2), в том числе кислород воздуха. Например, в кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом протекает электроокисление водорода на аноде: 2H2 + 4OH- —> 4e — 4H2O и электровосстановление кислорода на катоде: O2 + 2H2O + 4e —> 4OH При этом гидроксид-ионы передвигаются в ионном проводнике-электролите от анода к катоду. Суммарной реакцией приведенных выше реакций является: 2H2 + O2 —> 2H2O B результате суммарной реакции во внешней цепи между анодом и катодом возникает ЭДС, протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической реакции в электрическую. . Так как описанный процесс преобразования химической энергии в электрическую не имеет промежуточной стадии генерации теплоты, то топливным элементам свойственно высокое значение КПД. Известен также генератор электрической энергии, включающий по крайней мере один топливный элемент, состоящий из пористой матрицы, пропитанной необходимым количеством жидкого электролита пары электродов: топливного электрода (обеспечивающего элемент водородом) и воздушного электрода (обеспечивающего элемент кислородом), которые располагаются по обе стороны пористой матрицы . Недостатком этого генератора является то, что топливный элемент сложен в изготовлении и имеет высокую стоимость, т.к. требуются специальные материалы для матрицы, специальное средство для постоянного контроля количества электролита, количество которого уменьшается во время работы генератора, и снабжения им матрицы, специальные средства для объединения элементов в батареи. Известен топливный элемент с жидким электролитом, в котором газовым топливом служит метанол, снабжающий электрод водородом в соответствии со следующей реакцией. CH3OH —> CO + 2H2, CO + H2O —> CO2 + H2, CH3OH + H2O —> CO2 + 3H2 Первая и последняя из указанных реакций являются эндотермическими, а средняя — экзотермической . Этот элемент имеет высокую стоимость, обусловленную сложностью его изготовления и наличием дорогих материалов, а также его недостатком является то, что требуется периодическая замена анода, платиновый катализатор которого подвергается отравлению монооксидом углерода (CO), образующимся посредством первой из вышеуказанных реакций. Известен также химический источник электрического тока с циркулирующим жидким электролитом. Он содержит биполярные электроды и сепараторные пластины. Электроды и/или пластины соединены герметично друг с другом по крайней мере по периферийной части. Электроды и пластины образуют катодные и анодные камеры. Камеры связаны между собой распределительными каналами. Каналы, через которые протекает электролит, сформированы из углублений, образованных в периферийной части электродов и/или пластин. В камерах образовано по крайней мере одно отверстие для подачи электролита и/или выпуска электролита. Электроды и пластины, образующие камеры, имеют соединительные элементы, снабженные каналами, которые соединены герметично с упомянутыми отверстиями . Этот источник электрического тока по наибольшему количеству сходных с предлагаемым изобретением признаков принят за его прототип. Недостатком прототипа является его высокая стоимость, обусловленная сложностью его изготовления. Предлагаемое изобретение решает задачу снижения стоимости химического генератора электрической энергии, выполненного на основе топливного элемента с жидким электролитом. Поставленная задача решается тем, что предлагается генератор, состоящий из по крайней мере одного топливного элемента, включающего две раздельные камеры, в одной из которых, названной катодной камерой, содержится кислородсодержащий газ и воздушный электрод, а во второй, названной анодной, содержится водородсодержащий газ и топливный электрод, причем каждая из камер снабжена средством для подачи в нее электролита таким образом, чтобы названный электролит поступал непосредственно на поверхность помещенного в нее электрода, стекая с нее и образуя на ней нестационарную пленку, и стоком, через который электролит выходит из камеры, причем стоки анодной и катодной камер объединены в общий сток для электролита. В каждой камере может содержаться один или более электродов, соединенных параллельно и расположенных один под другим. При этом электролит перетекает с верхнего электрода на нижний, и на поверхности каждого электрода протекает заданная реакция — электроокисление водорода на аноде и электровосстановление кислорода на катоде. В каждую камеру электролит поступает в форме падающих по вертикали капель или струй, а электроды в камерах установлены так, чтобы поверхность, на которую поступает электролит, находилась под углом к этой вертикали или электроды выполнены такой формы, чтобы жидкий электролит поступал хотя бы на часть поверхности электрода и стекал с нее далее в сток. При этом необходимо, чтобы на поверхности электрода образовывалась нестационарная пленка, что означает, что она имеет неравномерности по толщине, разрывы, дыры и др. В целях интенсификации химических процессов, протекающих в топливных элементах, поверхность электродов покрывается катализатором. Поскольку электроды работают в химически агрессивной среде, то к катализатору предъявляются требования не только высокой химической активности, но и высокой химической стойкости. Этим требованиям отвечают: платина, металлы платиновой группы, сплавы, легированные платиной или другими металлами платиновой группы, и др. Для основы электродов используются графит, графитсодержащие сплавы, никель и другие специальные материалы. Настоящий генератор может работать на щелочном электролите, например на традиционно используемом растворе гидроокиси калия (КОН). В этом случае на электродах протекают реакции: 2H2 + 4OH- — 4e —> 4H2O O2 + 2H2O + 4e —> 4OH

В качестве материала электродов в этом случае используют, например, никель, хорошо устойчивый к щелочной среде. При этом предпочтительно использовать чистые водород и кислород, чтобы предотвратить карбонизацию щелочи углеродом, содержащимся в воздухе. Предлагаемый генератор также может работать на кислотном электролите, например, на традиционно используемом растворе фосфорной кислоты. В этом случае на электродах протекают реакции:
2H2 — 4e —> 4H+
O2 + 4H4+ —> 2H2O
Также в качестве электролита могут использоваться расплавы карбонатов. Для увеличения мощности генератора топливные элементы собираются в батареи. При этом они располагаются последовательно таким образом, чтобы электролит из общего стока предыдущего топливного элемента поступал в средства для подачи электролита в анодную и катодную камеры последующего топливного элемента. Например, они могут располагаться вертикально, один под другим в виде башни, а электролит при этом стекает свободно через сток верхнего топливного элемента в камеры нижнего. Таких башен, установленных параллельно, может быть неограниченное количество, а электролит может циркулировать в них, поступая последовательно из предыдущей башни в последующую. Восстановление отработанного электролита для его дальнейшей циркуляции производится известными методами. На чертеже приведена схема топливного элемента, положенного в основу генератора, где изображена камера 1, анод 2, катод 3, средство для снабжения элемента электролитом 4, сток 5. Генератор работает следующим образом. В камеры 1 подают, например: чистый водород — в анодную и воздух — в катодную. Через средство для снабжения элемента электролитом 4 в каждую камеру подают электролит, например раствор КОН. Электролит поступает в форме капель, или струй на анод 2 — в анодной камере и на катод 3 — в катодной камере. Поверхности катода и анода расположены под углом к вертикали, по которой электролит поступает в камеру. Поэтому он стекает с их поверхности в сток 5. Скорость подачи электролита выбирается такой, чтобы он образовывал на поверхности анода и катода нестационарную пленку. В результате химических реакций, приведенных выше, во внешней цепи между анодом и катодом возникает ЭДС, протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической реакции в электрическую. Таким образом, предлагаемое изобретение имеет более простую относительно ранее известных конструкцию, более низкую стоимость и при этом топливные элементы легко собираются в батареи, что позволяет создавать генераторы описанной конструкции большой мощности.

Формула изобретения

1. Электрохимический генератор, включающий по крайней мере один топливный элемент, в котором имеется анодная камера, снабженная топливным электродом, и катодная камера, снабженная воздушным электродом, а также каждая из камер снабжена средством для поступления в нее жидкого электролита и средством для удаления из нее названного электролита, отличающийся тем, что анодная камера наполнена водородсодержащим газом, а катодная камера наполнена кислородсодержащим газом, причем средство для поступления жидкого электролита в каждую из камер выполнено таким образом, чтобы названный электролит поступал непосредственно на поверхность помещенного в нее электрода и образовывал на этой поверхности нестационарную пленку, а средство для удаления из нее названного электролита выполнено в форме стока, при этом стоки анодной и катодной камер объединены в общий сток топливного элемента. 2. Электрохимический генератор по п.1, отличающийся тем, что электролит поступает в каждую камеру в форме падающих по вертикали капель или струй, а поверхность помещенного в камеру электрода находится под таким углом к этой вертикали, чтобы электролит стекал с названной поверхности в сток. 3. Электрохимический генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кислородсодержащим газом, наполняющим катодную камеру, является воздух. 4. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что водородсодержащим газом, наполняющим анодную камеру, является водород. 5. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что электролитом является раствор гидроокиси калия. 6. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что электролитом является раствор фосфорной кислоты. 7. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что электролитом является расплав карбонатов. 8. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что топливные элементы собраны в батареи таким образом, что электролит из общего стока предыдущего топливного элемента поступает в средства для подачи электролита в анодную и катодную камеры последующего топливного элемента. 9. Электрохимический генератор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что на поверхность электрода, контактирующую с электролитом, нанесен катализатор, содержащий металлы платиновой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Особенности бензогенераторов

Генераторы для дома, работающие на бензине, имеют самую низкую стоимость. Их цена начинается от 3 тысяч рублей, а достигает 50-60 тысяч рублей. Ценник зависит от мощности, расхода топлива, особенностей двигателя, страны производителя.

Они отлично справляются с маленькими нагрузками и небольшим количеством техники в доме. К тому же, бензогенераторы достаточно легкие. Их можно без проблем транспортировать, брать с собой в путешествия.

Такие мини-электростанции довольно тихие, особенно по сравнению с дизельными. Их можно разместить даже в доме, они не потребуют дополнительной звукоизоляции. Уровень шума составляет примерно 50 Дб.

Важно! Источники электричества, работающие на бензине, способны запускаться даже при – 20˚С.

Тип двигателя

Бензиновые генераторы могут быть двухтактными и четырехтактными. Все они оснащены ДВС.

Небольшие по мощности модели оснащены двухтактным двигателем. Они легко запускаются даже при температуре в – 20˚С. Расходуют немного топлива и легки в обращении.

Четырехтактные моторы нужны для агрегатов, работающих продолжительное время без перерыва. Такой мотор отличается высокой производительностью. Не нуждается в добавлении смеси из масел, однако плохо включаются при низких температурах.

Двигатели делятся еще и по количеству цилиндров и материалам, из которых они сделаны.

Цилиндры из алюминия — самые неустойчивые и могут работать недолго. Они могут быть установлены только на маленьких станциях. С ними вы можете выезжать на природу, рыбалку и охоту, поскольку такие агрегаты достаточно легкие.

Моторы с чугунными цилиндрами — куда более мощные и тяжелые. Стоят они дороже. Аппараты такого типа могут быть использованы для электроснабжения небольших коттеджей. К тому же, их можно использовать для дорожного строительства, добычи ресурсов, для работы в полях.

Наиболее мощные электростанции снабжены четырехтактным двигателем и цилиндрами из чугуна. Они способны работать более 3 000 часов и больше всего похожи на дизельные модели. Они справятся с электроснабжением большого дома со множеством потребителей. Цена на такие модели самая высокая.

Генераторы по виду работы

Мини электростанции, работающие на бензине, могут быть синхронными и асинхронными. Асинхронные устройства устойчивы к воздействиям окружающей среды. Они легко переносят высокую влажность, грязь, пыль. Они доступны по ценам, приспособлены к работе с электроприборами, имеющими постоянный показатель тока при пуске.

Синхронные аппараты хорошо переносят пусковые перегрузки. Подходят для работы с индуктивными приборами, например, сварочным аппаратом, насосом. Стоят они дороже асинхронных.

Генераторы делятся еще на щеточные и бесщеточные. Бесщеточные модели менее требовательны в эксплуатации, а их техническое обслуживание обходится гораздо дешевле.

Фазность

При покупке электростанции посмотрите, сколько фаз представлено в той или иной модели. В современных генераторах может быть либо три фазы, либо одна. Трехфазный аппарат потребуется для насосов, сварки и т. д. Если же вы планируете использовать только телевизор, утюг, холодильник и другие стандартные электроприборы, то вам вполне хватит одной фазы.

Важно! Для того чтобы избежать перегревов, помните, что при подключении приборов однофазных к трехфазному генератору необходимо следить за нагрузкой, приходящейся на одну фазу. Она не должна быть выше общей мощности аппарата.

Расчет необходимой мощности

Чтобы все ваши приборы могли работать без проблем, перед покупкой генератора необходимо рассчитать приходящуюся на него нагрузку. Электричества, которое выдает генератор, должно хватать для снабжения энергией всех имеющихся у вас приборов с надбавкой примерно в 25-30% на случай экстренных ситуаций.

Приблизительные цифры:

  • для применения в походах достаточно будет агрегата мощностью до 1,5 кВт;
  • для снабжения электроэнергией небольшого загородного дома подойдет генератор мощностью до 5 кВт;
  • для средних и больших коттеджей подойдет станция мощностью до 15 кВт;
  • для коттеджей с большим количеством потребителей и мини-производств необходим генератор мощностью более чем 15 кВт.

Учитывайте, что если максимальная нагрузка от электроприборов превысит мощность генератора, то проработает он не более нескольких минут. Устройства, работающие на бензине с автозапуском, должны обладать мощностью, не превышающей суммарный коэффициент на 70%. Благодаря этому вы сможете сократить расход топлива и продлить срок эксплуатации агрегата.

Непрерывность работы

Важным показателем является непрерывность работы прибора. Он определяет время, которое работает агрегат без дозаправки. Эта характеристика зависит от объема топливного бака и приходящейся на генератор нагрузки. То есть — чем больше электричества потребляется, тем выше расход топлива, и меньше времени работает генератор.

Самым большим топливным баком в 20 литров обладают мощные генераторы с четырьмя цилиндрами. Такие модели работают без перерыва до 15 часов. А вот небольшие агрегаты с двухтактным мотором способны работать не более трех часов. Однако и топлива они потребляют минимальное количество.

Масса

Вес агрегата важен, если вы планируете постоянно перемещать его. Этот показатель напрямую зависит от мощности. Чем выше мощность, тем больше вес, соответственно. Так, генераторы мощностью более 10 кВт весят больше 100 кг.

Дополнительные характеристики

Как правило, любой генератор электрического тока бензиновый, используемый для частного дома, обладает рядом дополнительных возможностей. Среди них:

  • Пусковое устройство. Может быть ручное или электрическое. Ручное включение конструктивно устроено просто и стоит дешевле. Оно надежно в работе и неприхотливо. Электрический пуск полностью автоматизирует запуск станции. Если у вас неожиданно выключили электричество, то резервный источник запустится самостоятельно. А после включения центральной системы он так же автоматически отключится. Самые дорогие станции продаются с пультом дистанционного управления. С помощью его вы сможете управлять генератором, находясь в любой части дома;
  • Система стабилизации напряжения. Такая система позволит поддерживать мощность на одном и том же уровне, несмотря на колебания потребления при выключении и включении прибора. Обычно устанавливается на дорогие модели бензогенераторов;
  • Охлаждение. Практически на любой модели устанавливается система охлаждения, защищающая аппарат от перегрева. Генераторы с низкой и средней стоимостью имеют охлаждение воздушного типа. А на дорогостоящие модели устанавливают водяное охлаждение;
  • Качество напряжения. Если вы хотите иметь ток хорошего качества, то лучше всего приобрести инверторный бензиновый генератор. Такие устройства способны трансформировать электричество и стабилизировать его до необходимых параметров. Чувствительные электроприборы, такие как компьютеры, кондиционеры и подобные могут без проблем работать с такими станциями;
  • Тип корпуса. Миниэлектростанции могут быть встроены в блок или контейнер. Блочные приборы – это, по сути, полноценные станции, которые могут использоваться как автономный источник энергии;
  • Страна производитель. При выборе прибора обратите внимание на страну-производителя. Лидерами являются страны европейского союза, Япония. Отечественные агрегаты несколько уступают им по количеству дополнительных функций. А вот станции, произведенные в Китае, качеством сборки и надежностью похвастаться не могут.

Лучшие модели бензогенераторов

Далее представим несколько моделей генераторов, которые пользуются популярностью у покупателей.

  1. Honda EU20i на 1,6 кВт. Хонда — один из лучших производителей электрогенераторов в мире. Модель EU20i – очень тихий, надежный агрегат для резервного питания дачи или небольшого дома. Он инверторный и выдает ток высокого качества. Минус у него один – стоимость;
  2. DDE GG95OZ на 0, 65 кВт. Такой аппарат относится к классу маломощных генераторов. Он подойдет вам в качестве резервного источника. Он имеет небольшие размеры и вес, а также потребляет мало топлива. К тому же, стоит в пределах 10 тысяч рублей. Бренд DDE – американский, однако сами генераторы собираются на данный момент в Китае. Из минусов стоит отметить шумность, небольшую мощность;
  3. Wert G 3000D на 2,3 кВт. Идеальный выбор для дачи. Его мощности хватит для небольшого набора электроприборов. Удобен для транспортировки благодаря небольшому весу, а также рамной конструкции. Сборка производится также в Китае. Стоит недорого, однако довольно шумный;
  4. Hunter DY4000L на 2,8 кВт. Эта станция очень надежна, хотя собирается в Китае по заказу немецкой фирмы. Он экономичен, обладает небольшим весом, довольно просто запускается. Как и предыдущее модели, очень шумный агрегат. Уровень шума у него достигает 68 дБ;
  5. Fubag TI 6000 на 5,5 кВт. Модели этой марки собираются в Швейцарии и Германии. Такой генератор отличает высокое качество сборки. Поскольку модель инверторная, то к ней без опаски можно подключать чувствительную технику. Мощности такой станции вполне хватит для снабжения энергией среднего дома. В конструкции предусмотрены небольшие колесики, которые облегчают транспортировку, несмотря на большой вес. Может работать как в основном режиме, так и в экономичном. Снабжен защитным кожухом, благодаря которому снижается уровень шума. К минусам можно отнести только стоимость данной системы.

Если вы ищете генератор электрического тока бензиновый для частного дома для резервного использования или снабжения электроэнергией небольшого дачного, то лучше всего выбирать бензиновую установку. Она весьма экономична и неприхотлива в использовании. Позволить себе ее может семья со средним достатком. Генератор выручит вас в неприятной ситуации неожиданного отключения электроэнергии.

> См. также

  • Производство водорода
  • Водородный транспорт

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*