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, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.
Топливный элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива 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. Митохондрия окисляет горючее (углеводы, белки, жиры) до углекислого газа и воды, создавая разность электрических потенциалов на своих мембранах. Создание искусственной митохондрии, окисляющей сахар — важнейшая инженерная задача.
Устройство ТЭ
Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %).
КПД, определённый по теплоте химической реакции, теоретически может быть и выше 100 % из-за того, что в работу может превращаться и теплота окружающей среды. Здесь, тем не менее, нет никакого противоречия с ограничениями на КПД тепловых машин, поскольку топливные элементы не работают по замкнутому циклу, и реагирующие вещества не возвращаются в начальное состояние. При химической реакции в топливном элементе в электрическую энергию превращается, в конечном счёте, не теплота реагентов, а их внутренняя энергия и, возможно, некоторое количество теплоты из окружающей среды.
Принцип разделения потоков топлива 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 содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.
Типы топливных элементов
§ Твердооксидный топливный элемент
§ Топливный элемент с протонообменной мембраной
§ Обратимый топливный элемент
§ Прямой метанольный топливный элемент
§ Расплавной карбонатный топливный элемент
§ Фосфорнокислый топливный элемент
§ Щелочной топливный элемент
Применение топливных элементов
Стационарные приложения
производство электрической энергии (на электрических станциях),
аварийные источники энергии,
автономное электроснабжение,
Транспорт
электромобили, автотранспорт,
морской транспорт,
железнодорожный транспорт, горная и шахтная техника
вспомогательный транспорт (складские погрузчики, аэродромная техника и т. д.)
Бортовое питание
авиация, космос,
подводные лодки, морской транспорт,
Мобильные устройства
портативная электроника,
питание сотовых телефонов,
зарядные устройства для армии,
роботы.
Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:
1. Высокий КПД (У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин, Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию, КПД почти не зависит от коэффициента загрузки)
2. Экологичность (В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды.)
3. Компактные размеры (Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива).
Водородная энергетика — развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к нетрадиционным видам энергетики.
Производство водорода
В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода
Паровая конверсия природного газа / метана
В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700—1000 °C смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2–5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2–2,50, включая доставку и хранение.
Газификация угля
Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °C без доступа воздуха
Используя атомную энергию
Использование атомной энергии для производства водорода возможно в различных процессах: химических, электролиз воды, высокотемпературный электролиз.
Электролиз воды
2H2O+энергия = 2H2+O2. Обратная реакция происходит в топливном элементе
Водород из биомассы
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии.
Несмотря на все достоинства водородной энергетики, по сей день не решена проблема неэкономичности промышленного производства водородной энергии, а ведь успешное решение означенной проблемы могла бы коренным образом изменить Мировую экономику и оздоровить окружающую среду.
Науке известен целый ряд способов для разложения воды, однако у всех есть существенный недостаток, для получения водорода в больших количествах необходим тот самый дефицитное топливо – уголь, природный газ либо энергия, которую вырабатывают электростанции. Такое производство водорода неэффективно.
Несмотря на это многие энтузиасты водородной энергетики образовали ряд ассоциаций, международную в том числе, и пытаются решить возникшие проблемы. На сегодняшний день в мире получают около тридцати миллионов тон водорода, и согласно прогнозам это количество должно увеличиться в 20-30 раз. Водородная энергетика претендует на роль энергетического лидера экономики будущего.
Водородная энергетика применяется как домашние энергетические станции, как стационарные энергетические установки, в водной и автомобильной инфраструктуре ( Водородное шоссе
,Водородная заправочная станция) , как мобильные топливные элементы.
.
.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему