Что такое двигатель на топливных элементах

Водородное топливо

Водород как топливо

Где можно взять водород было известно давно, еще пару веков назад. Способ получения водорода был достаточно подробно описан в издании:
О. Д. Хвольсон, Курс физики, Берлин, 1923, тт. 3 и.

Оказывается, не нарушая никаких законов физики можно построить машину, которая будет производить тепло за счет положительной разности энергии сжигания водорода, и энергии затрачиваемой на получение его в процессе электролиза воды.

Конкретно, 2 гр водорода при сгорании выделяют 67.54 больших калорий тепла, а при электролизе раствора серной кислоты, при напряжении 0.1 вольта, на получение такого же количества водорода будет затрачено менее 5 больших калорий тепла. Суть состоит в том, что при электролизе не расходуется энергия разъединения молекулы воды на кислород и водород. Эта работа совершается без нашего участия межмолекулярными силами при диссоциации воды ионами серной кислоты. Мы расходуем энергию только на то, чтобы нейтрализовать заряды уже имеющихся ионов водорода и остатка SO- Количество выделившегося водорода зависит не от энергии, а только от количества электричества, равного произведению силы тока на время его прохождения.

При сжигании водорода выделяется именно та энергия, которую надо было бы совершить для того, чтобы оторвать молекулу водорода от кислорода в воздухе. А это и есть 67.54 больших калорий. Полученный избыток энергии может быть использован по разному.

Можно получать водород прямо на заправочных станциях и заправлять им автомобили.

В условиях дома, взяв из сети один киловатт час энергии, сможем получить 10 квт часов тепловой энергии для бытовых нужд. Это своеобразный усилитель энергии. Отпадет надобность в проводке газовых труб, теплотрассах и котельных. Энергия будет приготовлена прямо в квартире из воды, а отходами будет снова только вода.

В крупных промышленных установках, даже при 33% кпд, как и в атомных станциях сегодня, сжигая водород получим электрической энергии в несколько раз больше, чем было затрачено ее на получение этого водорода.

Привлекательно использование водорода, как топлива для автомобилей, ввиду его нескольких особых преимуществ:

• при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, что делает двигатель на водородном топливе наиболее экологически чистым;
• высокие энергетические свойства водорода (1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина);
• неограниченная сырьевая база при получения водорода из воды.

Использовать водород в качестве топлива для автомобилей можно несколькими разными способами:

• можно использовать только сам водород;
• можно использовать водород вместе с традиционными топливами;
• можно применять водород в топливных элементах.

Конечно, возникают определенные технические трудности, которые необходимо решить. Лет 30 назад, академик А. П. Александров, вел семинар по водородной энергетике. На нем обсуждались уже технические проекты. Предполагалось, что атомная энергия будет использоваться для получения водорода, а он уже будет использоваться как топливо. Но очевидно скоро поняли, что атомная энергетика здесь вообще не нужна. Тогда и похерили все водородные проекты, потому что нужно было не водородное топливо, а плутоний.

Писательница Л. Улицкая, генетик по образованию, писала в «Общей газете» 16-22 мая 2002 г. «Романтический период в истории науки закончился. Я совершенно уверена, что дешевые источники электроэнергии давно уже разработаны и разработки эти лежат в сейфах нефтяных королей. Убеждена, сегодня наука так работает, что этого не могут не сделать. Но до тех пор, пока последнюю каплю нефти не сожгут, такие разработки не выпустят из сейфа, им не нужен передел денег, мира, власти, влияния».

До сих пор сторонники развития атомной энергетики ставят коронный вопрос: А где альтернатива атому? Следует ожидать яростного противодействия не только сторонников ядерной энергетики, но всего топливно- энергетического комплекса. Они не пожалеют сил и средств, чтобы закопать проблему водородного топлива вместе с ее энтузиастами.

Более 90% водорода получают в нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах. Также водород вырабатывается при превращении природного газа в синтез-газ. Процесс получение водорода электролизом воды – чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе.

На сегодняшний день, практически весь вырабатываемый водород используется в различных нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах.

В отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СН), но выброс оксидов азота вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя.

Из-за высокой реакционной способности водорода есть возможность проскока пламени во впускной трубопровод и преждевременного воспламенения смеси. Из всех вариантов устранения этого явления самым оптимальным является впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания.

Проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение на автомобиле.

Система хранения сжатого водорода позволяет уменьшить объем бака, но не его массу из-за увеличения толщины стенки. Хранение жидкого водорода – сложная задача, учитывая его низкую температуру кипения. Жидкий водород хранят в емкостях с двойными стенками.

При хранении водорода в виде гидридов металлов, водород находится в химически связанном состоянии. Если в качестве гидрида металла использовать гидрид магния, соотношение между водородом и металлом-носителем составляет около 168 кг магния и 13 кг водорода.

Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование водорода в дизелях. Устойчивое воспламенение может быть обеспечено принудительным поджогом от свечи.

Трудности при использовании водорода и высокая его цена привели к тому, что разрабатывается комбинированное топливо бензин-водород. Использование бензино-водородных смесей позволяет на 50% снизить расход бензина при скорости 90 – 120 км/ч и на 28% при езде в городе.

Комментарии:

Я за комбинированное топливо бензин-водород

— Юрий · фев 11, 23:33 · #

А я за то, что бы использовать мобильный реактор водорода, как описывается выше. И не надо боков и безопасно. В качестве безопасности как уже извесно, можно использовать гидрозатвор.

— Владимир · мар 9, 01:00 · #

Никто и никогда не сможет эапустить водород как топлво пока есть нефть….как можно получить или посмотреть чертежи об устаноке дпя печного отопления……….

— АЛЕКСАНДР · май 18, 02:44 · #

В начале статьи говорится о серной кислоте, потом невзначай упоминается вода. Так с какой жидкостью будем иметь дело и соответсвующие экологические неоднозначности?
Я не химик, прошу ногами не пинать, если что-то упустил.

— Владимир · дек 16, 14:47 · #

Если использовать серную кислоту некой средней концентрации, то после получения электролизом из нее водорода надо концентрацию кислоты как-то удерживать. Можно просто доливать воды и по ареометру следить, но вода из водопровода далека от дистиллировки и испарение оксида серы-6 в негерметичной системе тоже наверняка будет происходить, все же газ. Сжигать же водород в получаемом параллельно кислороде, чтобы обеспечить герметичность, надо малыми порциями, но и это взрывонебезопасно. Идея хорошая, надо попробовать – электролит аккумуляторный доступен, как и электросеть.

— Борис · апр 17, 10:02 · #

в вов на дерижаблях в лененграде использовали водород а позже из них же питали движки машин с лебёдками

— серж · апр 25, 18:19 · #

Забудьте, это все теория, на самом деле все правильно, только вот Водород по калорийности в 3 раза меньше скажем природного газа сответствено КПД такого двигетеля ниже в 3 раза чем скажем на природном газе ,тоесть он будет гудеть на холостом, но не ехать.Так что о применении самодостаточного водородного топлива забудьте это утопия,а вот молекулярная интенсивикация топлива бензин,газ, солярав двигателях внутренего сгорания и вгазотурбинных установках это перспективно экономически оправдано так как КПД двигателей растет 2-3 разы,при сокращению расхода топлива на 38-50% скажем на 100 км реально .Все эти раскозни про газ Брауна,Майера и других ничто так каз законы физики пока работают тесть получить методом электролиза газ и на нм ездить не реально так как мощность борт сети авто не достаточно генератор типового авто выдает максимум ток в 7.5А, дляустойчивой работы электролизера необходимая сила тока хотябы в 2 разы больше,значить мы посадим акамулятор достаточно быстро и еще и уграем как минимум реле регулятор авто.Все приплыли. Но решение все же есть.Так как октановое число водорода 1000то соответствено его в двигатель подавать надо очень мало, тоесть довести силу тока в электролизере до 3-4 ампер и готовит бензиновую или топливною смесь не посредственно перед впрыском в камеру сгорания обогащая ее полученым гремучим газом.Как показала практика на автомобилях испытуемых Шкода Октавия,БМВ-520.,Опель Аскона и других на протяжении порядка5-7 лет экономия составляла до 50% в зависимости от вида топлива двигателя,Увеличелся моторесурс в 2 разы,мощность двигателя возросла как минимум на 50%,соответствено увеличелся крутящий момент.Интересное явление наблюдается расход по топливу практически одинаков что в городском что в загородном цыкле.Машина становится резвая и очеь шустрая, скорость при базовом двигателе Шкоды Октавия обемом 1.6 литра набирает скорость до ста км за 12 сек, с молекулярным интенсификатором за 7 сек…крейсерская максимальная скорость Октавии составила 195 км в час при заводских настройках лиш 120-130 с горки,на бензиновых двигателях убитых большим пробегом оказалось что свечи зажигания смеси становятся вечними,прошли без замены по 250 тыс пробега…

— Владимир · фев 26, 01:03 · #

75% даёт больше дж чем бензин и

50%больше чем метан(могу ошибаться).
Интересно, какое давления создает в цилиндре Н?

— Андрей · янв 30, 00:52 · #

HHO .prom.ua
Там собирают электр.лизеры на продажу

— Андрей · янв 30, 00:58 · #

автомобиль на водородном топливе уже в эксплуатации. в мире более 100 тысяч автомобилей ездит на водороде.

— Ольга · авг 13, 13:37 · #

Интересно, кто автор этого шедевра? Сначала он пишет: «В условиях дома, взяв из сети один киловатт час энергии, сможем получить 10 квт часов тепловой энергии для бытовых нужд». Просто и со вкусом автор предлагает обыкновенный вечный двигатель. Немного ниже: «Процесс получение водорода электролизом воды – чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе». По-видимому автор это писал разными руками, а правая рука не ведает, что пишет левая и наоборот….

— Юрий · июн 9, 14:58 · #

Юрий.
Автор имел ввиду что для власть и имущество имущих генерация водорода наиболее выгодна при синтезе с другими веществами. Но опять же это целые цепочки технологических мероприятий не говоря уже об дорогих оборудованиях. Способов масса но вот рентабельность нужно считать. Я считаю что наиболее рентабелен именно электролиз ибо ветряная энергия очень дешевая. А все другие способы добычи газ.об-водорода могут быть не рентабельными из за износа оборудований и слож. Технолог. Проццесов..

— Ибот · июн 28, 20:36 · #

Да, и ещё в сети переменный ток. Для выпрямления транс + диодный мост. На мосту теряем 1,5-2 вольта в виде тепла, что при требуемом напряжении больше чем на электродах. В общем КПД выпрямителя Водород в автомобилях военного времени Что такое газ Брауна

Что такое двигатель на топливных элементах

Выхлопные газы автомобилей — один из главных источников загрязнения окружающей среды. Создание экологически чистых, так называемых «зелёных» автомобилей, — главная проблема, над решением которой работают автостроители многих стран. Непрерывный рост стоимости бензина также стимулирует работы по изысканию альтернативных, экологически чистых видов топлива.

Напомню, как работает гибридный мотор. При равномерном движении на шоссе работает один бензиновый (или дизельный) двигатель. При ускорении и на подъёме подключается электромотор. При медленном движении в трафике можно ехать с одним электродвигателем.

Многие аналитики высказывают мнение, что через несколько лет компании, у которых в производственных программах не будет моделей с гибридными установками, начнут терять покупателей. Из общих экономических соображений можно полагать, что рост выпуска спорт-универсалов и минивэнов с гибридными двигателями будет обгонять аналогичные седаны.

Одновременно ведущие автостроители форсируют создание машин с топливными элементами:

1. Volvo увеличит запас хода электрокаров с помощью топливных ячеек

Топливные ячейки

Следующей цепочкой получения энергии для автомобиля может стать следующая: зерно, спирт, водород, топливная ячейка, электродвигатель автомобиля при полном отсутствии двигателя внутреннего сгорания.

Как видно из этой схемы, необходимость в двигателе внутреннего сгорания отсутствует полностью, поскольку электрическая энергия получена путем химической реакции. Отсутствие двигателя внутреннего сгорания и наличие электромотора, который уже сам по себе обладает значительным моментом даже на низких оборотах значительно облегчит и упростит конструкцию автомобиля и сделает его еще более «зеленым».

Схематически топливный элемент представляет электрохимическую ячейку, в которой два электрода из пористого углерода с нанесённым катализатором разделены полимерной мембраной. Подаваемый под давлением водород взаимодействует на катоде с ионами гидроксила с образованием воды и выделением свободных электронов. На аноде кислород из воздуха взаимодействует с ионами водорода и поступающими от катода в виде тока электронами. При таком электрохимическом процессе выделяется тепло и образуются вода и электроток.

Впервые появление электротока при реакции водорода с кислородом наблюдалось ещё в 1839 году. Практическая реализация процесса была осуществлена сравнительно недавно при создании космической техники. Чтобы можно было приступить к созданию автомобилей с топливными элементами, пришлось преодолевать самые разные технические проблемы, ряд которых ещё не доведен до промышленно-приемлемого решения. Тем не менее уже созданы опытные образцы машин с транспортировкой водорода в баллонах или химически связанного в метиловом спирте (метаноле).

Высокая стоимость первых вариантов автомобилей на топливных элементах была обусловлена применением катализаторов на основе редких металлов (платина и др.) и сложной системой хранения жидкого водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные сложности возникали при стоянке машины на солнце, когда начинаются тепловые потери водорода в системе топливных элементов. Для накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 году была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада). Канадская компания Ballard Power Systems , созданная в 1979 году со штаб-квартирой в Ванкувере, лидирует сейчас по созданию топливных элементов для автомобилей.

Хранение водорода под давлением вызывает другие проблемы, в том числе и возможность взрыва при утечке водорода. В связи с этим системы, где источником водорода является метиловый спирт, представляются более перспективными. С применением в качестве топлива метанола взамен жидкого водорода упрощается система хранения топлива в автомобиле, и заправка может осуществляться на колонках на обычных автозаправках .

DymlerChrysler намерен в 2003 году изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль .

У модели Ford Mondeo P2000 FC5 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг расположены под капотом. При температуре 85 градусов Цельсия начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/час. Время разгона после трогания с места до скорости 100 км/час — 14 сек. Запас хода — 160 км, возможная стоимость — 35 тыс. доларов . Алюминиевый кузов машины на 40% легче стального, а магниевый картер легче алюминиевого. До запуска в производство в 2004 году создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. долларов.

Японские компании Toyota и Honda объявили, что они начнут опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами в 2003 году. Японская Mazda и немецкая BMW также объявили о своих работах по созданию транспортных средств с топливными элементами. В штате Нью-Джерси независимая от больших компаний группа инженеров создала опытную модель New Jersey Ventures с применением системы из топливных элементов и никель-кадмиевых батарей. При первых пробегах этот автомобиль развивал скорость 120 миль/час.

Но возникают новые сложности, связанные с техническими и экономическими проблемами выделения водорода из метанола непосредственно в силовом агрегате автомобиля. После стоянки с неработающим двигателем требуется около двух минут, чтобы вся система начала работать снова. Также следует опасаться возможности отравления метанолом. Выпитый в небольшом количестве метанол вызывает слепоту. С другой стороны, метанол может получаться при химической переработке морских водорослей и отходов сельского хозяйства, то есть относится к воспроизводимым сырьевым ресурсам.

Неумолимая экономика стимулирует развитие промышленного производства другого спирта — гидролизного этилового спирта (этанола) также из возобновляемых отходов лесоперерабатывающей и сельскохозяйственной отраслей и массовое внедрение двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях, содержащих свыше 50% этанола .

В заключение выскажу мнение, что ближайшие 10—20 лет будут периодом массового производства автомобилей, работающих с применением альтернативных видов топлива, в первую очередь сжиженного газа и этилового спирта, при одновременном выпуске большого числа различных моделей с гибридными двигателями. Параллельно будет идти совершенствование конструкций и технологий изготовления двигателей на топливных элементах. Скорее всего, через 30-50 лет в автомобилестроении автомобили на топливных ячейках вытеснят двигатели внутреннего сгорания.

Конкуренция двигателей может быть интереснее многих детективных историй.

Ford Model U concept car

Toyota FINE-S

Nissan X-Trail Fuel Cell Vehicle

General Motors HydroGen3

Топливные ячейки способны запасать большее количество энергии, чем существующие батареи, занимая такое же пространство. Даже самые передовые батареи имеют на порядок меньшее значение удельной энергии, чем у накопителя водородного топлива. Однако пока проще создавать именно батареи малого размера, а не помпы и контролирующую электронику для топливных ячеек. А малоразмерные помпы часто потребляют больше энергии, чем производят.

«Установка помпы, датчика давления и электроники для контроля системы в таком малом объеме не практична», — говорит Саид Могхаддам ( Saeed Moghaddam ) из Университета Иллинойса. «К тому же, если они все-таки смогут вырабатывать энергию, их потребление вероятно будет превышать объем генерируемой энергии». Поэтому Могхадамм вместе со своими университетскими коллегами включился в работу над созданием такой конструкции крошечных топливных элементов, которая бы позволяла генерировать энергию, не потребляя ее на собственные нужды.

Новое устройство имеет всего 4 элемента. Тонкая мембрана отделяет водный резервуар сверху от камеры с металл — гидридом , расположенной под ним. Еще ниже расположены электроды . Небольшие отверстия в мембране позволяют молекулам воды проникать в соседнюю камеру в виде пара. Затем пары воды вступают в реакцию с металл-гидридом , в результате которой образуется водород. Он заполняет эту камеру и оказывает давление на мембрану снизу, и отверстия в мембране перекрываются. Водород постепенно расходуется в результате протекания реакций на электродах для получения электрического тока. Затем давление водорода падает, и вода снова начинает поступать в камеру для совершения дальнейших реакций.

Это устройство размером всего 3 х 3 мм и толщиной в 1 мм невесомо, а контроль над поступлением воды осуществляется автоматически. При этом ячейка сохраняет работоспособность при тряске, что дает возможность использовать ее в карманных устройствах. Первый образец генерировал напряжение 0,7 В и ток величиной 0,1 мА в течение 30 часов, но Могхаддам говорит, что последние версии выдают уже 1 мА при том же напряжении. Но этого не хватит для питания мобильных телефонов, которые используют батареи на несколько вольт, а вот в простых электронных системах и микророботах их уже вполне можно использовать.

«Всего 9 мм3 — это безусловно очень немного», — говорит Стив Арскотт ( Steve Arscott ) из Университета Лилля, эксперт в топливных микроячейках . «Однако мощность этих ячеек слишком мала, чтобы они могли быть действительно полезны», — добавляет Арскотт . Его собственные топливные микроячейки используют метанол, а не воду качестве источника водорода, как делают многие микроячейки . При этом ее объем в 3 раза больше размеров ячейки Могхаддама , а ее удельная мощность превышает более чем в 10 раз и составляет 0,13 мВт/мм 2 .

Но эксперты указывают, что эти два устройства нельзя между собой сравнивать. Большинство топливных ячеек получают питание извне, в то время как новое устройство расходует топливо, помещенное внутри него. При этом большой запас топлива в ячейке требует много пространства, что приводит к падению удельной мощности. Однако в зависимости от размеров удельная мощность нового топливного элемента все же сравнительно высока — 100 ватт на литр.

Топливные элементы

Топливный элемент — что это такое? Когда и как он появился? Зачем он нужен и почему о них в наше время так часто говорят? Каковы его область примения, характеристики и свойства? Неудержимый прогресс требует ответов на все эти вопросы!

Содержание статьи:

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент — это химический источник тока или электрохимический генератор, это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. В современной жизни химические источники тока используются повсеместно и представляют собой аккумуляторы мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, а также аккумуляторные батареи в автомобилях, источниках бесперебойного питания и т.п. Следующим этапом развития данной области будет повсеместное распространение топливных элементов и это уже никем неопровергаемый факт.

История топливных элементов

История топливных элементов — это ещё одна история о том, как некогда открытые на Земле свойства вещества нашли широкое применение далеко в космосе, а на рубеже тысячелетий вернулись с небес на Землю.

Всё началось в 1839 году, когда немецкий химик Кристиан Шёнбейн опубликовал принципы работы топливного элемента в «Философском журнале». В этом же году англичанин, выпускник Оксфорда, Уильям Роберт Гроув сконструировал гальванический элемент, в последствии названный гальваническим элементом Гроува, он же признан первым топливным элементом. Само название «топливный элемент» было подарено изобретению в год его юбилея — в 1889 году. Людвиг Монд и Карл Лангер — авторы термина.

Немного ранее, в 1874г., Жюль Верн в романе «Таинственный остров» предсказал нынешнюю энергетическую ситуацию, написав, что «Вода в один прекрасный день будет использоваться в качестве топлива, применяться будут водород и кислород, из которых она состоит».

Тем временем, новая технология электроснабжения постепенно совершенствовалась, а начиная с 50-х годов XX века уже и года не проходило без анонсов новейших изобретений в этой области. В 1958 году в США появился первый трактор, работающий на топливных элементах, в 1959г. вышел в свет 5кВт-ный источник питания для сварочной машины, и т.д. В 70-х годах водородные технологии взлетели в космос: появились самолёты и ракетные двигатели на водороде. В 60-х годах РКК «Энергия»разрабатывала топливные элементы для советской лунной программы. Программа «Буран» также не обошлась без них: были разработаны щелочные 10кВт-ные топливные элементы. А ближе к концу века топливные элементы пересекли нулевую высоту над уровнем моря — на их основе разработано электроснабжение немецкой подводной лодки. Возвращаясь на Землю, в 2009 году в США запустили в эксплуатацию первый локомотив. Естественно, на топливных элементах.

Во всей прекрасной истории топливных элементов интересно то, что колесо по-прежнему остается неимеющим аналогов в природе изобретением человечества. Дело в том, что по своему устройству и принципу действия топливные элементы аналогичны биологической клетке, которая, по сути, представляет собой миниатюрный водородно-кислородный топливный элемент. В итоге человек в очередной раз изобрел то, чем природа пользуется уже миллионы лет.

Принцип работы топливных элементов

Принцип работы топливных элементов очевиден даже из школьной программы по химии и именно он был заложен в опытах Уильяма Гроува 1839 года. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым. Как верно то, что, при пропускании электрического тока через воду, последняя расщепляется на водород и кислород, так верно и обратное: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества. В опыте Гроува два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходила медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) — на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:

где H₂ — двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H + — ионизированный водород (протон); е — — электрон.

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны — нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка):

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород. Проще всего с кислородом — он забирается из воздуха. Водород может подаваться непосредственно из некой ёмкости или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта — метанола). В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Характеристики топливных элементов

• Топливные элементы являются аналогами существующих аккумуляторов в том смысле, что в обоих случаях электрическая энергия получается из химической. Но есть и принципиальные отличия:
  • они работают только пока топливо и окислитель поступают от внешнего источника (т.е. они не могут накапливать электрическую энергию),
  • химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке),
  • они полностью не зависимы от электричества (в то время как обычные аккумуляторы запасают энергию из электросети).
• Каждый топливный элемент создаёт напряжение в 1В. Большее напряжение достигается последовательным их соединением. Увеличение мощности (тока) реализуется через параллельное соединение каскадов из последовательно соединенных топливных элементов.
• 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. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42%, чаще же составляет 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,
• Ёмкость в несколько раз выше, чем в существующих аккумуляторах,
• Полное отсутствие экологически вредных выбросов. Выделяется только чистый водяной пар и тепловая энергия (в отличие от дизельных генераторов, имеющих загрязняющие окружающую среду выхлопы и требующих их отвода).

Виды топливных элементов

Топливные элементы классифицируются по следующим признакам:

• по используемому топливу,
• по рабочему давлению и температуре,
• по характеру применения.

В целом, выделяют следующие типы топливных элементов:

• Твердооксидный топливный элемент (Solid-oxide fuel cells — SOFC);
• Топливный элемент с протонообменной мембраной (Proton-exchange membrane fuel cell — PEMFC);
• Обратимый топливный элемент (Reversible Fuel Cell — RFC);
• Прямой метанольный топливный элемент (Direct-methanol fuel cell — DMFC);
• Расплавной карбонатный топливный элемент (Molten-carbonate fuel cells — MCFC);
• Фосфорнокислый топливный элемент (Phosphoric-acid fuel cells — PAFC);
• Щелочной топливный элемент (Alkaline fuel cells — AFC).

Одним из типов топливных элементов, работающих при нормальных температурах и давлениях с использованием водорода и кислорода, являются элементы с ионообменной мембраной. Образующаяся вода не растворяет твердый электролит, стекает и легко отводится.

Проблемы топливных элементов

• Главная проблема топливных элементов связана с необходимостью наличия «упакованного» водорода, который можно было бы свободно приобрести. Очевидно, проблема должна решиться со временем, но пока ситуация вызывает легкую улыбку: что первично — курица или яйцо? Топливные элементы ещё не настолько развиты, чтобы строить водородные заводы, но их прогресс немыслим без этих заводов. Здесь же отметим проблему источника водорода. На настоящий момент водород получают из природного газа, но повышение стоимости энергоносителей повысит и цену водорода. При этом в водороде из природного газа неизбежно присутствие CO и H₂S (сероводород), которые отравляют катализатор.
• Распространенные платиновые катализаторы используют очень дорогой и невосполнимый в природе металл — платину. Однако данную проблему планируется решить использованием катализаторов на основе ферментов, являющихся дешевым и легкопроизводимым веществом.
• Проблемой является и выделяющееся тепло. Эффективность резко возрастет, если генерируемое тепло направить в полезное русло — производить тепловую энергию для системы теплоснабжения, использовать в качестве бросового тепла в абсорбционных холодильных машинах и т.п.

Топливные элементы на метаноле (DMFC): реальное применение

Наивысший практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Ноутбук Portege M100, работающий на топливном элементе DMFC выглядит следующим образом:

Типичная схема DMFC-элемента содержит, помимо анода, катода и мембраны, несколько дополнительных комплектующих: картридж с топливом, датчик метанола, насос для циркуляции топлива, воздушный насос, теплообменник и т.д.

Время работы, например, ноутбука по сравнению с аакумуляторами планируется увеличить в 4 раза (до 20 часов), мобильного телефона — до 100 часов в активном режиме и до полугода в режиме ожидания. Подзарядка будет осуществляться добавлением порции жидкого метанола.

Основной задачей является поиск вариантов использования раствором метанола с наивысшей его концентрацией. Проблема в том, что метанол — достаточно сильный яд, смертельный в дозах от нескольких десятков граммов. Но концентрация метанола напрямую влияет на длительность работы. Если ранее применялся 3-10%-й раствор метанола, то уже появились мобильные телефоны и КПК с использованием 50%-го раствора, а в 2008 году в лабораторных условиях специалистами MTI MicroFuel Cells и, чуть позже, Toshiba получены топливные элементы, работающие на чистом метаноле.

За топливными элементами — будущее!

Наконец, об очевидности большого будущего топливных элементов говорит тот факт, что международная организация IEC (International Electrotechnical Commission), определяющая индустриальные стандарты для электронных устройств, уже объявила о создании рабочей группы для разработки международного стандарта на миниатюрные топливные элементы.

Топливные элементы: почему мало автомобилей на водородных двигателях? (+ видео)

В проекте «Движение будущего» при поддержке организаторов Технологических конкурсов Up Great мы рассказываем о главных тенденциях в разработке новых видов транспорта.

Какие бывают топливные элементы? Почему в них используют другоценные металлы и как удешевить конструкцию? Объясняет кандидат химических наук Екатерина Герасимова.

Топливные элементы — это электрохимические источники энергии, которые преобразуют энергию химической реакции в электрическую. На реакции водорода с кислородом, в результате которой получается вода, можно объяснить примерный принцип работы топливного элемента. В обычной реакции водорода с кислородом у вас происходит прямое столкновение реагирующих молекул с образованием продуктов реакции. В топливном элементе же эта реакция разделена на две полуреакции, которые разнесены в пространстве. Есть один электрод, на котором окисляется восстановитель, и второй электрод, на котором восстанавливается окислитель. Отличие топливных элементов от первичных и вторичных источников энергии, таких как батарейки или аккумуляторы, в том, что в первичных и вторичных источниках энергии реакция происходит с материалом самого электрода. В топливном элементе реагирующие вещества подаются извне. Топливный элемент работает, пока подаются окислитель и восстановитель. В обычных батарейках и аккумуляторах существует предел, когда электроды полностью расходуются. В аккумуляторах есть возможность заряда — провести обратную реакцию и восстановить материал электрода. Редокс-батареи сходны с топливными элементами тем, что окислитель и восстановитель подаются извне, но они тоже претерпевают изменения и расходуются; соответственно, нужно затратить энергию, чтобы вернуть их в исходное состояние.

Что касается устройства топливных элементов, с батарейками и аккумуляторами их роднит то, что у них есть два электрода, между ними электролит. На одном электроде, который называется «анод», происходит окисление топлива. На втором электроде, который называется «катод», происходит восстановление окислителя. Два электрода разделены между собой либо раствором, либо мембраной таким образом, чтобы окислитель и восстановитель не смешивались между собой. Все это упаковывается в ячейки, позволяющие осуществлять подвод и окислителя, и восстановителя и снимать ток.

Топливные элементы можно по-разному классифицировать — например, по типу электролита. От того, какой проводимостью обладает электролит, будет зависеть, какие окислители и восстановители можно использовать.

Существует пять основных типов топливных элементов. Прежде всего, щелочные, в которых электролитом является щелочь, также расплавные карбонатные топливные элементы, в которых электролит — расплав карбонатов калия, натрия, помещенных в пористую керамическую матрицу. В фосфорнокислых топливных элементах электролитом является раствор кислоты. Два основных типа топливных элементов с твердым электролитом — это топливные элементы с полимерным электролитом и твердооксидные топливные элементы.

Все эти типы топливных элементов различаются по температуре работы. Например, самые высокотемпературные — твердооксидные топливные элементы. В них в качестве электролита используется оксидный материал, который приобретает проводимость по анионам кислорода только при высоких температурах, составляющих от 700 до 1000 °C. Следующим типом топливных элементов, работающих при более низкой температуре, являются расплавные карбонатные топливные элементы, которые работают при температурах 500–600 °C. В высокотемпературных топливных элементах в качестве топлива кроме чистого водорода возможно использовать реформинговый водород, и в структуру таких топливных элементов обычно входит реформер, в котором, допустим, из метана производится водород.

Топливные элементы, работающие при более низкой температуре, 100–200 °C, — это щелочные и фосфорнокислые. В них в качестве электролита используются растворы соответственно кислот и щелочи. Щелочные топливные элементы наиболее дешевы в изготовлении, однако обладают существенным недостатком, потому что щелочь очень чувствительна к присутствию CO₂ в газах и в окружающей среде. Образующиеся при этом карбонаты забивают электрод и существенно снижают проводимость электролита. Фосфорнокислые топливные элементы не имеют такой проблемы, то есть к CO₂ не чувствительны. Однако, как и щелочные, они имеют жидкий электролит, что также приводит к коррозии топливных элементов и вытеканию электролита.

В топливных элементах, работающих при температурах до 100 °C, возможно использование полимерных электролитов. Это приводит к существенному упрощению топливного элемента и к уменьшению веса конструкции всего топливного элемента. Наиболее изучены топливные элементы с протон-проводящей мембраной. В качестве катализатора в таких топливных элементах используется платина или ее сплав, которые существенно удорожают сам топливный элемент. Однако низкие температуры работы — от 0 до 80 °C — и легкость конструкции позволяют применять такие топливные элементы не только в стационарных источниках энергии, но и в мобильных: автомобилях, летательных аппаратах, зарядных станциях для бытовой техники.

В отличие от высокотемпературных топливных элементов, в топливных элементах, работающих до 100 °C, использование технического водорода вызывает ряд проблем, а именно отравление катализатора. Успешно работающая в качестве катализатора при таких температурах платина довольно сильно отравляется монооксидом углерода (CO), что приводит к существенному снижению эффективности работы таких топливных элементов. К сожалению, до 100 °C поверхность платины очищается самостоятельно очень медленно. На данный момент широко исследуются различные типы катализаторов на основе сплавов платины, нанесенных на оксидные носители, чтобы позволить адсорбированному CO легче уходить с поверхности платины и освобождать ее для протекания основной электрохимической реакции.

На данный момент внедрение топливных элементов в мобильные источники энергии затрудняется тем, что у нас отсутствует инфраструктура, то есть заправка водородом, заправочные станции. Кроме того, нет высококвалифицированных специалистов, которые требуются для обслуживания таких энергоустановок. Не является большой проблемой сделать автомобиль, работающий на топливных элементах, но качественно обслуживать его некому, поэтому на данный момент серийных моделей практически не существует.

В настоящее время перспективными являются низкотемпературные топливные элементы, ведется борьба за минимальное использование драгоценных металлов в качестве катализаторов процессов. Например, многие страны поставили себе цели достичь эффективной работы катализатора при загрузке платины ниже 0,1 миллиграмма на квадратный сантиметр, что является достаточно сложным, потому что количество катализатора на электродах влияет не только на то, с какой эффективностью работает топливный элемент, но и на то, сколько он будет работать. Возможно, уменьшение количества драгоценных металлов скажется существенно на ресурсе работы таких топливных элементов.

Особенности топливных систем двигателей, работающих на водороде

Рубрика: Технические науки

Статья просмотрена: 442 раза

Библиографическое описание:

Жарков, В. В. Особенности топливных систем двигателей, работающих на водороде / В. В. Жарков, С. К. Назаров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2012. — № 11 (46). — С. 40-42. — URL: https://moluch.ru/archive/46/5616/ (дата обращения: 19.09.2021).

Как моторное топливо водород обладает рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при разработке топливных систем двигателей и организаций их рабочих процессов.

Водород (Н 2 ) является одним из наиболее перспективных видов топлив как для использования в современных типах ДВС (при некоторой их модификации), так и для энергетики будущего. Это топливо эффективно удовлетворяет комплексу требований обеспечения безотходной технологии.

При высокой массовой теплоте сгорания (120,1Мдж/кг) объемная теплота сгорания газообразного водорода составляет всего 10,8МДж/м 3 , а сжиженного 8,4МДж/л. Это затрудняет хранение водорода, особенно на установках наземного транспорта.

В табл. 1 приведены массоразмерные показатели хранения некоторых топлив на экспериментальных транспортных установках. Запас теплоты сгорания сжатого водорода, отнесенной к единице, объема топливного бака, составляет не более 4,4% теплоты сгорания бензина и не более 6,7% теплоты сгорания бензина, приходящейся на единицу массы бака и топлива. В сжиженом состоянии водорода эти показатели повышаются соответственно до 28,2 и 104,4%. Вследствие этого возникает ряд проблем при компоновке транспортного средства. Для сжижения водорода потребуется дополнительные затраты энергии (до 17кВт ∙ ч/кг), хранение его возможно в компактных теплоизолированных сосудах. Разработанные баки состоят из внутреннего сосуда, выполняемого из коррозионно-стойкой стали или алюминиево-магниевых сплавов, наружной дюралевой оболочки, теплоизолирующего слоя из металлизированной с двух сторон пленки из стеклоткани, полости, вакуумированной до давления (1,5-3) ∙ 10 -2 Па, в которой подвешивается на теплоизолирующем устройстве внутренний сосуд [1].

Водородные криогенные баки должны снабжаться предохранительными клапанами, устройствами для зарядки водородом и промывки их от скапливающихся примесей, наиболее опасным из которых является воздух. Для контроля за давлением и запасом водорода баки снабжаются датчиками, а для регулирования интенсивности расхода-подогревательными и надувочными устройствами, для работы которых используется электроэнергия или теплота отработавших газов. Не исключено использование для этого теплоты рабочих тел систем охлаждения и смазочной, а также окружающей среды.

Массоразмерные показатели некоторых способов хранения топлив
на транспортных установках

Вид топлива, способ хранения

Обычные

Массовые

Объем топлива, м 3

Объем бака, м 3

Удельное количество теплоты, ГДж/м 3

Количество теплоты, % от количества теплоты сгорания бензина

Масса топлива, кг

Масса бака, кг

Общая масса, кг

Количество топлива на 1кг общей массы

Количество теплоты МДж на 1кг общей массы

Количество теплоты % от количества теплоты сгорания бензина

Бензин, жидкость

Р=41МПа

1374,4

137,36

Сжиженный водород

Используются способы хранения водорода в соединениях с металлами, в частности в интерметаллических порошкообразных соединениях, адсорбирующих водород в больших количествах (до 900 объемов сорбента или до 9 % его массы). В этом случае гидридный бак заряжается в холодном или нагретом (до температуры 250 0 С) состоянии прокачкой через него водорода. При нагревании бака водород выделяется и направляется в двигатель. Наибольший эффект можно ожидать от применения в качестве сорбента соединений из железа и титана FeTi 2 и TiFe , лантана и никеля LaNi 5 , магния и меди MgCu 2 и Mg 2 Cu , магния и никеля MgNi . Удельные массоразмерные показатели для указанных в табл.1 способов хранения водорода соизмеримы с аналогичными показателями при хранении водорода в сжиженном состоянии; однако при массовом внедрении этих способов потребуется большое количество цветных дефицитных металлов, термостатирование для охлаждения при зарядке гидритных баков, подогрев при их разрядке. Кроме того, при использовании нагретого водорода снижаются мощность и экономичность двигателя. Поэтому эти способы малоперспективны.

Схемы питания двигателя водородом из гидридных баков не менее сложны (рис.1), чем схема с криогенными баками.

Способ получения водорода на транспортной установке в химических генераторах, например вытеснением его из воды магнием и его сплавами, следует признать еще менее перспективными ввиду высокой стоимости дистиллированной воды, металлов и их сплавов, необходимости отвода большого количества теплоты при разложении воды и сбора оксидов металлов (из экологических соображений), трудно организуемого вследствие большого числа энергоустановок с малыми выходами отходов.

Наиболее распространенный современный промышленный способ получения Н 2 основан на чистом окислении метана и его конверсии с водяным паром [3]:

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 ;

СО + Н 2 О → Н 2 + СО 2 ;

СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2 .

Метан является ценным химическим сырьем, поэтому рассматривается перспективные способы получения Н 2 из воды. К таким способам относится термодиссоциация воды, протекающая при температурах 4000 – 5000К, и разработанный в Институте атомной энергии им. В.И.Курчатова двуступенчатый цикл с использованием теплоты атомного реактора:

2 F еО 4 → 6 F еО + О 2 ;

3 F еО + Н 2 О → F еО 4 + Н 2 .

Подсчитано, что термоядерный реактор тепловой мощности 10млн.кВ Т при работе по такому циклу позволит получить 1млн.т Н 2 в год.

Получение водорода разложением воды в многоступенчатых термохимических циклах на транспортных энергоустановках практически невозможно из-за высоких и различных на разных ступенях температур (до 450-900 0 С) и использования большого количества цветных металлов.

Достаточно производительными и компактными могут быть методы получения водорода и окиси углерода из углеводородов и спирта. Однако эти методы при неизбежных дополнительных потерях имеют преимущество перед непосредственным сжиганием топлива в двигателях только с точки зрения меньшей токсичности продуктов сгорания смесей Н 2 и СО.

При внешнем смесеобразовании используется водород как в чистом виде, так и в смеси с другими газообразными и жидкими топливами. В последнем случае водород добавляется в небольших количествах для улучшения сгорания основного топлива и уменьшения токсичности обработавших газов. При добавлении водорода к бензину массовая доля водорода ψ = (5,2 – 9,717α + 7,922α 2 – 0,709α 3 ) / 100 [1],

Коэффициент избытка воздуха α, обеспечивающий максимальное значение η i на любом из рабочих режимов, α = 3 – 2р i /р imax , где р i и р imax – текущее и максимальное средние индикаторные давления.

Летучесть водорода в этих случаях облегчает смесеобразование, и водород в необходимых количествах может быть введен через штуцер непосредственно во впускную систему двигателя. Для устранения повышенной опасности воспламенения или взрыва водородно-воздушной смеси водород вводят в смесь с бензином или воздухом возможно ближе к цилиндрам через карбюраторы-смесители, специальные устройства в патрубках впускного коллектора или даже непосредственно через проходное сечения впускного клапана. Для предотвращения взрыва или горения водорода в трубопроводе его отделяют от впускных каналов головки цилиндров пламягасительными устройствами [2] .

Рис. 1. Схема питания водородом из гидридного бака:

1 и 19-термопары; 2-бак; 3-заправочный вентиль; 4-предохранительный клапан;
5-реле давления; 6-датчик давления; 7-электромагнитный клапан подачи водорода в двигатель; 8-блок электронного управления расходом водорода; 9-редукционный клапан высокого давления; 10-всережимный вакуумный редуктор расхода водорода;
11-карбюратор-смеситель; 12-двигатель; 13-выпускной трубопровод; 14-первый глушитель шума системы выпуска; 15-трубопровод отвода отработанных газов в атмосферу; 16-электромагнит, управляющий заслонками в трубопроводах 15 и 17;
17-трубопровод подвода отработавших газов в бак для нагревания при потреблении водорода; 18 — второй глушитель шума системы выпуска; I и III -подвод и отвод воды
для охлаждения; II -выпуск отработавших газов из гидритного бака.

Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. (Под общей редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова) Москва «Машиностроение» 1985 с.456.

А.С.Иссерлин Основы сжигания газового топлива (справочное пособие). Ленинград «Недра» Ленинградское отделение. 1987 с.336.

А.М.Обельницкий Топливо и смазочные материалы М. «Высшая школа» 1982. с.208

Что такое двигатель на топливных элементахСсылка на основную публикацию wpDiscuz Adblock
detector